KR20220147588A - 수광소자, 광학 디바이스, 및 전자기기 - Google Patents

수광소자, 광학 디바이스, 및 전자기기 Download PDF

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타카후미 타카츠카
카즈키 히즈
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소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤
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Abstract

판독회로에의 입력 전압을 저감하면서, 소비 전력 및 데드타임의 적어도 어느 하나를 저감가능한 수광소자를 제안한다. 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부(210)와, 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부(211)로서, 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 제1 저항부와, 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부(212)와, 제1 저항부의 타방의 단부와 접속되며, 제1 저항부를 통해서 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부(230)를 구비하는 수광소자(200)가 제공된다.

Description

수광소자, 광학 디바이스, 및 전자기기
본 개시는, 수광소자, 광학 디바이스, 및 전자기기에 관계한다.
수광한 광을 전기신호로 광전변환 하고, 그 전기신호를 출력하도록 구성되는 광학소자의 하나로서, 애벌런치 증배를 이용하는 단일 광자 애벌런치 다이오드(이하, SPAD(Single Photon Avalanche Diode)라고 부른다)가 알려져 있다. 애벌런치 증배란, 광자의 입사에 의해 생성된 전자와 정공이 고전계에 의해 가속화되어져, 차례로 새로운 전자와 정공을 생성해 가는 현상을 말한다. 1조의 전자와 정공이 몇 배로 증가되어서 큰 전류가 흐르기 때문에, 이를 이용하는 SPAD는 미약한 광을 검출 가능하다는 이점을 가지고 있다.
비특허문헌 1: APPLIED OPTICS, Vol.35, No.12, 20 April, 1996
SPAD의 동작시에는, SPAD의 캐소드·애노드간에는 예를 들면 수 10V의 역방향 바이어스 전압이 인가된다. 이 때문에, SPAD에서 생성되는 대전류에 의해 생기는 캐소드 전위의 변화도 커질 경우가 있다. 캐소드 전위의 변화는, 판독회로에 의해 판독되기 때문에, 판독회로의 입력 전압도 또한 크게 변화된다. 이 경우, 그 변화를, 판독회로의 내압보다도 작게 억제할 필요가 있다. 또한, SPAD에 있어서는, 애벌런치 증폭에 의해 대전류가 흐르기 때문에, 소비 전력이 커지는 경향이 있다.
판독회로에의 입력 전압을 내압보다 작게 하여, 소비 전력을 낮추기 위해서, 저항 분압이 이용될 경우가 있다(비특허문헌 1). 그러나, 저항 분압을 위한 저항기의 저항치와, SPAD의 캐소드 기생 용량이나, 판독회로에의 입력 기생 용량으로 결정되는 시정수가 커지고, SPAD를 리차지하는 기간이 길어질 경우가 있다. 리차지 기간은, SPAD가 광자를 검출할 수 없는, 소위 데드타임이다. 즉, 저항 분압에 의해서는, 판독회로에의 입력 전압을 내압보다 작게 하여, 소비 전력을 낮출 수 있어도, 데드타임의 증대라고 하는 문제가 생길 수 있다.
이에, 본 개시는, 판독회로에의 입력 전압을 저감하면서, 소비 전력 및 데드타임 중 적어도 어느 하나를 저감가능한 수광소자, 광학 디바이스, 및 전자기기를 제안한다.
본 개시에 의하면, 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부와, 상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 제1 저항부와, 상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부와, 상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부와 접속되어, 상기 제1 저항부를 통해서 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부를 구비하는 수광소자가 제공된다.
또한, 본 개시에 의하면, 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부와, 상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 제1 저항부와, 상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부와, 상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 각각 구비하는 복수의 수광소자가 행렬 형상으로 배치된 광학 디바이스가 제공된다.
나아가 또한, 본 개시에 의하면, 광학계와, 상기 광학계를 투과한 광자의 입사 에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부, 상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 제1 저항부, 상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부, 및 상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 각각 구비하는 복수의 수광소자가 행렬 형상으로 배치되는 광학 디바이스를 구비하는 전자기기가 제공된다.
도 1은 기존 기술에 관한 광학 디바이스가 적용되는 전자기기의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 기존 기술에 관한 광학 디바이스의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 3a는 기존 기술에 관한 광학 디바이스의 화소의 개략구성의 일 예를 제시하는 블록도이다.
도 3b는 기존 기술에 관한 광학 디바이스의 화소의 개략구성의 다른 예를 제시하는 블록도이다.
도 3c는 기존 기술에 관한 광학 디바이스의 화소 포토다이오드에 하나의 광자가 입사했을 때의 캐소드 전위의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
도 3d는 기존 기술에 관한 광학 디바이스의 화소 포토다이오드의 전압-전류 특성을 모식적으로 나타내는 그래프이다.
도 4a는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4b는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 어레이부에 있어서의 화소의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 5a는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 어레이부의 화소에 포함되는 단일 광자 애벌런치 다이오드에 하나의 광자가 입사했을 때의 캐소드 전압의 변화를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5b는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5c는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 동작을 도 5b에 계속하여 설명하기 위한 도면이다.
도 5d는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 동작을 도 5c에 계속하여 설명하기 위한 도면이다.
도 5e는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 동작을 도 5d에 계속하여 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 종래예에 의한 화소의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 6b는 종래예에 의한 화소의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7a는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 차폐 저항부의 구체예 1을 나타내는 블록도이다.
도 7b는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 차폐 저항부의 구체예 2를 나타내는 블록도이다.
도 8a는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 ??치 저항부의 구체예 1을 나타내는 블록도이다.
도 8b는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 ??치 저항부의 구체예 2를 나타내는 블록도이다.
도 8c는 도 8b에 나타내지는 ??치 저항부의 구체예 2에 의한 화소의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 판독회로의 구체예 1을 나타내는 블록도이다.
도 9b는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 판독회로의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9c는 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 판독회로의 구체예 2을 나타내는 블록도이다.
도 10a는 제2 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 10b는 제2 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 10c는 제2 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소에 있어서의 차폐 저항부의 구체예 3을 나타내는 블록도이다.
도 11은 제3 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 12는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 적층구조예를 제시하는 블록도이다.
도 13은 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 14는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 광입사면과 수직한 면의 단면구조예를 나타내는 수직단면도이다.
도 15는 도 14에 있어서의 A-A면의 단면구조예를 나타내는 수평단면도이다.
도 16는 비교예에 의한 광학 디바이스가 가지는 화소를 나타내는 개략도이다.
도 17a는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 1을 나타내는 블록도이다.
도 17b는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 2를 나타내는 블록도이다.
도 17c는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 3을 나타내는 블록도이다.
도 17d는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 4를 나타내는 블록도이다.
도 17e는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 5를 나타내는 블록도이다.
도 18a는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 6을 나타내는 블록도이다.
도 18b는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 7을 나타내는 블록도이다.
도 19a는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 8을 나타내는 블록도이다.
도 19b는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 9를 나타내는 블록도이다.
도 19c는 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 10을 나타내는 블록도이다.
도 20은 본 개시의 실시 형태에 관한 광학 디바이스가 적용가능한 전자기기로서의 촬상 장치를 나타내는 개략도이다.
도 21은 본 개시의 실시 형태에 관한 광학 디바이스가 적용가능한 전자기기로서의 측거장치의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 22는 본 기술을 적용한 전자기기로서의 측거장치의 광학 디바이스의 화소 어레이부에 있어서의 화소의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 23은 본 기술을 적용한 전자기기로서의 측거장치에 있어서의 직접 ToF(Time of Flight)방식에 의한 측거를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 24는 본 기술을 적용한 전자기기로서의 측거장치에 있어서 생성되는, 수광 시각에 기초한 히스토그램의 일 예를 제시하는 도면이다.
도 25는 체내 정보 취득 시스템의 개략적인 구성의 일 예를 제시하는 블록도이다.
도 26는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 일 예를 제시하는 도면이다.
도 27는 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 일 예를 제시하는 블록도이다.
도 28는 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 일 예를 제시하는 블록도이다.
도 29는 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 일 예를 제시하는 설명도이다.
이하에, 본 개시의 실시 형태에 대해서 도면에 기초하여 상세히 설명한다. 한편, 이하의 각 실시 형태에 있어서, 동일한 부위에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
본 개시의 실시 형태의 설명에 앞서, 본 개시의 실시 형태의 이해를 용이하게 하기 위해서, 본 개시의 실시 형태에 관련되는 기존 기술에 대해서 설명한다.
도 1은, 기존 기술에 관한 광학 디바이스가 적용되는 전자기기의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 전자기기(1)는, 예를 들면, 촬상 렌즈(30)와, 광학 디바이스(10)와, 기억부(40)와, 프로세서(50)를 구비한다.
촬상 렌즈(30)은, 입사광을 집광하고, 그 상을 광학 디바이스(10)의 수광면에 결상하는 광학계의 일 예이다. 수광면은, 광학 디바이스(10)에 있어서, 화소가 행렬 형상으로 배열된 면이면 된다. 광학 디바이스(10)는, 입사광을 광전변환 해서 화상 데이터를 생성한다. 또한, 광학 디바이스(10)는, 생성한 화상 데이터에 대하여, 노이즈 제거나 화이트 밸런스 조정 등의 소정의 신호처리를 실행한다.
기억부(40)는, 예를 들면, 플래시 메모리나 DRAM(Dynamic Random Access Memory)이나 SRAM(Static Random Access Memory)등으로 구성되며, 광학 디바이스(10)로부터 입력된 화상 데이터 등을 기록한다.
프로세서(50)는, 예를 들면, CPU(Central Processing Unit)등을 사용해서 구성되며, 오퍼레이팅 시스템이나 각종 애플리케이션 소프트웨어 등을 실행하는 어플리케이션 프로세서나, GPU(Graphics Processing Unit)나 베이스밴드 프로세서 등이 포함될 수 있다. 프로세서(50)는, 광학 디바이스(10)로부터 입력된 화상 데이터나 기억부(40)로부터 판독한 화상 데이터 등에 대하여, 필요에 따른 각종 처리를 실행하거나, 사용자에의 표시를 실행하거나, 소정의 네트워크를 통해서 외부에 송신하거나 한다.
도 2는, 상술한 광학 디바이스(10)의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다. 도시 대로, 광학 디바이스(10)는, 화소 어레이부(11)와, 타이밍 제어 회로(15)와, 구동 회로(12)와, 출력 회로(13)를 구비한다.
화소 어레이부(11)는, 행렬 형상으로 배열되는 복수의 화소(20)를 구비한다. 복수의 화소(20)에 대하여는, 열마다 화소구동선(LD)(도면중의 상하 방향)이 접속되며, 행마다 출력 신호선(LS)(도면중의 좌우 방향)이 접속된다. 화소구동선(LD)의 일단은, 구동 회로(12)의 각 열에 대응한 출력단에 접속되고, 출력 신호선(LS)의 일단은, 출력 회로(13)의 각 행에 대응한 입력단에 접속된다.
구동 회로(12)는, 시프트 레지스터나 어드레스 디코더 등을 포함하고, 화소 어레이부(11)의 각 화소(20)를, 전화소 동시에 또는 열단위 등으로 구동한다. 구동 회로(12)는, 판독 대상의 열에 대응하는 화소구동선(LD)에 선택 제어 전압을 인가함으로써, 광자의 입사를 검출하기 위해서 사용하는 화소(20)를 열단위로 선택한다. 구동 회로(12)에 의해 선택 주사된 열의 각 화소(20)로부터 출력되는 신호(검출 신호라고 한다)는, 출력 신호선(LS)의 각각을 통해서 출력 회로(13)에 입력된다. 출력 회로(13)는, 각 화소(20)로부터 입력된 검출 신호를 화소신호로서 기억부(40) 또는 프로세서(50)에 출력한다.
타이밍 제어 회로(15)은, 각종의 타이밍 신호를 생성하는 타이밍 제너레이터 등을 포함하고, 타이밍 제너레이터에서 생성된 각종의 타이밍 신호를 기초로, 구동 회로(12) 및 출력 회로(13)를 제어한다.
도 3a는, 화소 어레이부(11)의 화소(20)의 개략적 구성의 일 예를 제시하는 블록도이다. 도시 대로, 화소(20)는 포토다이오드(21)와 ??치 저항(22)을 포함한다. 포토다이오드(21)는, 이 화소(20)에 있어서는, 단일 광자 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode)이다(이하, SPAD(21)라고 적는다). SPAD(21)에서는, 하나의 광자(포톤)이 입사하더라도, 애벌런치 증배에 의해 대전류가 생성되며, 이 전류가 전기신호로서 출력된다. SPAD(21)의 동작에 대해서는 후술한다.
도시의 예에서는, SPAD(21)의 애노드가 소정의 전원에 접속되고, SPAD(21)의 캐소드가 ??치 저항(22)의 일단에 접속되어 있다. ??치 저항(22)의 타단은 접지되어 있다. 이에 의해, 후술하는 바와 같이 SPAD(21) 간에 역방향 바이어스 전압(VDDL)을 인가할 수 있다. 또한, SPAD(21)의 캐소드측에는 기생 용량으로서의 캐소드 기생 용량(CK)이 생긴다. 캐소드 기생 용량(CK)은, SPAD(21)의 용량과, ??치 저항(22)과 그 주위의 절연층과의 사이에 생기는 용량과, SPAD(21)와 ??치 저항(22)을 접속하는 배선에 의해 생기게 하는 용량과, 판독회로(23)에 포함되는 인버터 등의 소자의 용량 등과의 합성 용량에 상당한다.
도 3b를 참조하면, 화소(20)에 있어서의, SPAD(21)와 ??치 저항(22)과의 접속점에는 판독회로(23)가 접속된다. 판독회로(23)는, 예를 들면 인버터 회로를 포함할 수 있고, 후술하는 바와 같이 SPAD(21)와 ??치 저항(22)과의 접속점에 있어서의 전위(즉 캐소드 전위)의 변화를 판독한다.
또한, 화소(20)에 있어서는, 판독회로(23)의 출력단에 후단 회로(24)가 접속되어 있다. 후단 회로(24)는, 예를 들면, 디지털 카운터 회로를 포함할 수 있고, 이에 의하면, 화소(20)는 광자 카운터 소자로서 기능할 수 있다. 이 경우, 각 화소(20)에 의해 검출된 광자수에 대응한 출력 신호에 기초하여 화상 데이터가 생성될 수 있다. 즉, 광학 디바이스(10)는, 촬상 센서로서 기능할 수 있다.
또한, 후단 회로(24)는, 디지털 카운터 회로 대신 시간-디지털 변환 회로(Time-to-Digital Converter;TDC)회로를 포함할 수 있다. TDC회로는, 소정의 기준 주파수를 가지는 소정의 기준신호와, 그 기준신호에 기초한 검출 신호와의 시간차를 나타내는 디지털 신호를 생성할 수 있다. 후단 회로(24)가 TDC회로를 포함할 경우, 광학 디바이스(10)는, 예를 들면 ToF(Time of Flight)방식에 의한 측거소자로서 기능할 수 있다.
다음으로, 도 3c 및 도 3d를 참조하여, SPAD(21)의 동작에 대해서 설명한다. 도 3c는, SPAD(21)에 하나의 광자가 입사했을 때의 SPAD(21)의 캐소드 전위(VK)의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프이다. 도 3d는, SPAD(21)의 전압-전류 특성을 모식적으로 나타내는 그래프이다. 도 3d에 있어서, 횡축은, SPAD(21)의 애노드와 캐소드의 사이에 인가되는 전압을 나타내고 있다. 이 인가전압은, SPAD(21)의 애노드 전위를 VAn이라고 하고 캐소드 전위를 VCa로 하면, VAn-VCa로 나타내진다. 또한, 도 3d에 있어서, 종축은, SPAD(21)를 순방향(애노드로부터 캐소드로의 방향)으로 흐르는 전류(IAn)를 나타내고 있다.
SPAD(21)에 순 바이어스전압이 인가될 경우는, 도 3d에 나타내진 바와 같이, 전류(IAn)은 순방향으로 흐르고, 그 전류값은 인가전압이 증대함에 따라서 증대한다. 한편, SPAD(21)에 역방향 바이어스 전압이 인가될 경우, 그 전압이 낮을 때에는, SPAD(21)의 정류 작용에 의해 전류(IAn)는 흐르지 않는다. 그러나, 역방향 바이어스 전압이, 항복 전압-Vbd이하가 되면, 애벌런치 증배가 발생하고, 대전류의 전류(IAn)가 역방향으로 흐른다. 여기에서, 항복 전압(-Vbd)과, 이보다도 더 전압(Ve)(과잉전압(Ve)라고도 말한다)만큼 낮은 전압(-Vbd-Ve)과의 사이의 영역은 가이거 영역이라고 불린다. 가이거 영역에 있어서는 애벌런치 증배에 의한 이득이 이론상 무한대가 된다. SPAD(21)의 양단에 예를 들면 수 10V의 역방향 바이어스 전압을 인가하는 것에 의해, SPAD(21)은, 가이거 영역에서의 동작하는 것이 가능해진다.
여기에서, 가이거 영역에 대응하는 소정의 전압이, SPAD(21)의 애노드와 ??치 저항(22)의 접지단과의 사이에 소정의 전원으로부터 인가되고 있을 경우에, SPAD(21)에 광자(1개의 광자이라도 된다)가 입사하면(도 3c의 t0에서), 이 광자에 의해 전자정공쌍이 생성되어, 이 전자정공쌍이 역방향 바이어스 전압에 의한 고전계에 의해 가속화되어져, 차례로 전자정공쌍이 발생한다. 즉 애벌런치 증배가 일어난다. 이에 의해 역방향으로 대전류가 흐른다.
이 전류는 ??치 저항(22)에도 흐르기 때문, ??치 저항(22)에 의한 전압 강하가 생긴다. 이 때문에, SPAD(21)에 인가되는 인가전압이 저하된다. 여기에서, SPAD(21)의 캐소드와 애노드의 사이의 인가전압(의 절대치)이 항복 전압(절대치|Vbd|)보다 낮아지면, 애벌런치 증폭이 정지한다(시간t1). 애벌런치 증배가 정지되는 현상은 ??칭(Quenching)이라고 불린다.
이 다음, ??치 저항(22)을 통해서 SPAD(21)에 전류가 공급되어, SPAD(21)가 충전된다. 이 충전은 리차지라고 불린다. 리차지는 캐소드 기생 용량(CK)(도 3a, 도 3b)에 의해 결정되는 시정수로 일정한 기간(시간t1∼t2)에 걸쳐 행하여진다. 리차지가 완료하면(시간t2), SPAD(21)에 인가되는 전압은, 가이거 영역에 대응하는 전압으로 되돌아가고, SPAD(21)는, 다시, 이 영역에서 동작할 수 있게 된다. 이상과 같이, SPAD(21)에 광자가 입사했을 경우에는, SPAD(21)의 캐소드 전위(VK)는 도 3c에 나타낸 바와 같이 펄스 형상으로 변화된다. 이러한 변화가 판독회로(23)에 의해 판독되어, 그 결과, 광자가 검출되는 것이 된다. 한편, 리차지의 기간에는 SPAD(21)는 광자를 검지할 수 없기 때문에, 이 기간은 데드타임이라고 불린다.
(제1 실시 형태)
[제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 구성]
다음으로, 본 개시의 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 구성예에 대해서 설명한다. 도 4a는, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다. 도시한 대로, 광학 디바이스(100)는, 화소 어레이부(PAR)와, 컬럼 회로(310)와, 행주사회로(320)와, 인터페이스 회로(330)를 구비한다.
화소 어레이부(PAR)는, 행렬 형상으로 배열되는 복수의 화소(수광소자)(200)를 가진다. 복수의 화소(200)에 대하여는, 열마다 비트선(BL0, BL1, ···, BLS)(이하, 특히 구별할 필요가 없을 경우, 비트선(BL)이라고 적는다)이 접속되고, 행마다 워드라인(word line)(WL0, WL1, ···, WLN)(이하, 특히 구별할 필요가 없을 경우, 워드라인WL이라고 적는다)이 접속된다. 비트선(BL)의 일단은, 컬럼 회로(310)의 각 열에 대응한 출력단에 접속되고, 워드라인(WL)의 일단은, 행주사회로(320)의 각 행에 대응한 입력단에 접속된다. 한편, 설명의 편의상, 도면 중 종방향을 열방향이라고 하고, 횡방향을 행방향이라고 한다.
행주사회로(320)는, 화소 어레이부(PAR)의 각 화소(200)을 전화소 동시에 또는 열단위 등으로 구동한다. 행주사회로(320)는, 판독 대상의 열에 대응하는 워드라인(WL)에 선택 제어 전압을 인가하는 것에 의해, 광자의 입사를 검출하기 위해서 사용하는 화소(200)를 열단위로 선택한다. 행주사회로(320)에 의해 선택 주사된 열의 각 화소(200)로부터 출력되는 신호(검출 신호라고 한다)는, 비트선(BL)의 각각을 통해서 컬럼 회로(310)에 입력된다. 컬럼 회로(310)는, 검출 신호를 디지털 변환하는 것에 의해 디지털 신호를 생성한다. 생성된 디지털 신호는 인터페이스 회로(330)를 통해서 외부에 출력된다. 한편, 컬럼 회로(310) 및 행주사회로(320)는, 타이밍 제어 회로(미도시)로부터의 타이밍 신호에 의해 제어된다.
[제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 구성]
도 4b는, 본 실시형태에 관한 광학 디바이스(100)의 화소 어레이부(PAR)에 있어서의 화소(200)의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다. 도시한 대로, 화소(200)는 포토다이오드(210)와, 차폐 저항부(211)와, ??치 저항부(212)를 가진다. 포토다이오드(210)는, 본 실시형태에 있어서는 SPAD이며, 이하, SPAD(210)라고 적는다. SPAD(210)는, 1 광자의 입사에 따라 광전변환에 의해 발생한 전하를 애벌런치 증배(애벌런치 증폭이라고도 말한다)에 의해 증배하여 대전류를 생성하고, 그 전류를 전기신호로서 출력한다. 단, SPAD에 한정되지 않고, 포토다이오드(210)는, 실리콘 광전자 증배관이여도 된다.
차폐 저항부(211)의 일단은 SPAD(210)의 캐소드와 접속되고, 차폐 저항부(211)의 타단은 ??치 저항부(212)의 일단에 접속되어 있다. 즉, 화소(200)에 있어서는, SPAD(210), 차폐 저항부(211), 및 ??치 저항부(212)가 직렬로 접속된 직렬 회로가 형성되어 있다.
차폐 저항부(211) 및 ??치 저항부(212)는, 예를 들면, 고저항 폴리 실리콘에 의해 형성될 수 있다. 또한, 차폐 저항부(211) 및 ??치 저항부(212)는, 메탈 저항으로서 형성되어도 된다. 메탈 저항용의 재료로서는, TaSiO2, NbSiO2등 소위 서멧(cermet) 재료 등이 예시된다. 여기에서, 차폐 저항부(211)의 저항치를 Rsh라고 하고 SPAD(210)의 캐소드와 애노드와의 사이의 저항치를 RON으로 하면, RON < Rsh의 관계가 만족되고 있다. 즉, 차폐 저항부(211)는, SPAD(210)의 캐소드와 애노드간의 저항치보다도 큰 저항치를 가지게 형성된다. 이러한 관계에 의해 생기게 하는 효과에 대해서는 후술한다.
또한, ??치 저항부(212)의 저항치를 Rq로 하면, Rsh < Rq의 관계가 만족되고 있다. 즉, 차폐 저항부(211) 및 ??치 저항부(212)는, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)가, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 커지게 형성된다. 이러한 관계에 의해 생기게 하는 효과에 대해서는 후술한다.
또한, 도 4b에 나타낸 바와 같이, SPAD(210)의 캐소드측에는 기생 용량(C1)이 생기고 있다. 이 기생 용량(C1)은, SPAD(210)의 용량이나, SPAD(210)와 차폐 저항부(211)을 접속하는 배선에 의해 생기는 용량 등의 합성 용량에 상당한다. 나아가, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)과의 사이에 있어서는, 기생 용량(C2)이 생긴다. 기생 용량(C2)은, 차폐 저항부(211)와 그 주위의 절연층과의 사이에 생기는 용량이나, ??치 저항부(212)와 그 주위의 절연층과의 사이에 생기는 용량, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)를 접속하는 배선에 의해 생기는 용량, 독출회로(230)에 포함되는 인버터 등의 소자의 용량 등의 합성 용량에 상당한다. 한편, 기생 용량(C1)의 주위에 비해, 기생 용량(C2)의 주위에는, 차폐 저항부(211), ??치 저항부(212), 및 독출회로(230)(후술)등의 많은 회로 소자가 존재하고 있기 때문에, 기생 용량(C2)의 용량(값)은, 기생 용량(C1)의 용량(값)보다도 커지는 경향이 있다.
차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점에는, 독출회로(230)의 일단이 접속되어 있다. 독출회로(230)는, 예를 들면 인버터 회로를 포함할 수 있다. 독출회로(230)는, 후술하는 바와 같이 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점에 있어서의 전위의 변화를 판독한다.
또한, 화소(200)에 있어서는, 독출회로(230)의 출력단에 디지털 카운터 회로(240)가 접속되어 있다. 디지털 카운터 회로(240)는, 독출회로(230)에 의해 판독된, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항(22)과의 접속점에 있어서의 전위의 변화 회수, 즉, SPAD(210)에 입사한 광자의 수를 카운트하고, 카운트수에 따른 출력 신호를 출력한다. 이 출력 신호는, 해당 화소(200)에 대하여 행주사회로(320)(도 4a)로부터 워드라인(WL)을 통해서 선택 신호가 입력되면, 디지털 카운터 회로(240)로부터 비트선(BL)을 통해서 컬럼 회로(310)에 출력된다. 출력 신호를 휘도로 변환함으로써, 광학 디바이스(100)를 촬상 소자로서 기능시킬 수 있다.
한편, 독출회로(230)의 후단에, 디지털 카운터 회로의 대신 TDC회로가 접속되어도 된다. 이에 의하면, 독출회로(230)로부터의 출력에 기초하여 발광 타이밍과 수광 타이밍의 차이에 기초하여 직접 ToF 방식에 의한 측거를 행하는 것이 가능해진다.
또한, 광학 디바이스(100)는, 소정의 광원부의 발광에 따라 수광부가 위상마다의 수광을 행하고, 위상마다의 수광에 의해 수광부가 출력한 위상마다의 수광 신호에 근거해 거리정보의 산출을 행하는 간접 ToF 방식에 의한 측거를 행하는 측거부로서도 기능할 수 있다.
도 4b에 나타낸 바와 같이, SPAD(210), 차폐 저항부(211), 및 ??치 저항부(212)에 의한 직렬 회로는, 소정의 전원에 접속되어, SPAD(210)의 애노드가 전위(VDDL)로 유지되고, ??치 저항부(212)의 타단(차폐 저항부(211)와 접속되는 일단과 반대측의 단부)이 전위(VDDH)로 유지된다. 즉, SPAD(210), 차폐 저항부(211), 및 ??치 저항부(212)에 의한 직렬 회로에는, 전위(VDDH)-전위(VDDL)에 상당하는 전압이 인가된다. 여기에서, 전위(VDDH)가 전위(VDDL)보다도 높기 때문에, SPAD(210)에는 역방향 바이어스 전압이 인가된다. 화소(200)의 동작시에는, 이 인가전압은, 먼저 설명한 가이거 영역에 대응하는 소정의 전압으로 설정된다.
[제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 동작]
다음으로, 도 5a로부터 5e까지를 참조하면서, 화소(200)의 동작에 대해서 설명한다. 도 5b로부터 도 5e까지는, 도 4b와 마찬가지로 화소(200)가 모식적으로 나타내지지만, 디지털 카운터 회로(240)(또는 TDC회로)나, 워드라인(WL), 비트선(BL) 등은 생략되고 있다.
처음에, 소정의 전원에 의해, SPAD(210), 차폐 저항부(211), 및 ??치 저항부(212)에 의한 직렬 회로에 대하여 소정의 전압이 인가된다. 즉, SPAD(210)에는, 가이거 영역에 대응한(역방향 바이어스) 전압이 인가된다. 이 상태에서 SPAD(210)에 광자가 입사하면(도 5a의 시간(t0)), 애벌런치 증배가 발생하고, SPAD(210)에는 캐소드부터 애노드를 향해서 대전류가 흐른다. 여기에서, 도 5b에 있어서, 기생 용량(C2)으로부터 유출하는 전류(I2)를 얇은 화살표로 모식적으로 나타내고, 기생 용량(C1)로부터 유출하는 전류(I1)를 굵은 선으로 모식적으로 나타내고 있고, SPAD(210)의 캐소드로부터 애노드를 향해서 흐르는 대전류는, 주로 기생 용량(C1)으로부터 공급된다. 이는, 기생 용량(C2)과 SPAD(210)와의 사이에, SPAD(210)의 캐소드와 애노드와의 사이의 저항치(RON)보다도 큰 저항치(Rsh)를 가지는 차폐 저항부(211)가 설치되어 있기 때문에다. 바꿔 말하면, 기생 용량(C1)에 축적되는 전하는 SPAD(210)로 이동하기 쉬운 것에 비해, 기생 용량(C2)에 축적되는 전하는 차폐 저항부(211)에 의해 방해되어, SPAD(210)로 이동하기 어렵기 때문에, 애벌런치 증배 시에는 주로 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에 전류가 공급된다.
애벌런치 증배 시에는, 도 5a의 기간(t0∼t1)에 나타내진 바와 같이, 애벌런치 증배에 의해 발생한 대전류에 의해 SPAD(210)의 캐소드 전위(VK1)가 저하되어 간다. 캐소드 전위(VK1)의 저하에 따라, SPAD(210)사이에 인가되는 전압이 항복 전압보다 낮게가 되면, ??칭이 생긴다(도 4c의 시간(t1)). 또한, 이 때에는 기생 용량(C1)에 축적되어 있던 전하가 토해 내어져, 도 5c에 나타낸 바와 같이, 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에의 전류(I1)의 공급도 정지된다.
한편, 도 5a에 나타낸 바와 같이, 애벌런치 증배 기간(t0∼t1)에 있어서, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 사이에 있어서의 전위(VK2)는, 전위(VK1) 정도로는 강하하지 않는다. 이것은, 상술한 대로, 기생 용량(C2)으로부터 전류가 흐르기 어렵기 때문이다.
??칭이 생기는 동시에, 기생 용량(C1)과 기생 용량(C2)과의 사이에서 전하의 재분배가 개시된다(도 5a의 시간(t1)). 즉, 도 5d에 나타낸 바와 같이, 기생 용량(C2)에 남은 전하가 차폐 저항부(211)를 통해서 기생 용량(C1)에 이동해 간다. 여기에서, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 크기 때문, ??치 저항부(212)를 흐르는 전류(I3)는, 전하의 재분배에 조금 기여하는 것에 지나지 않는다. 이 때문에, 전하의 재분배는, 주로 기생 용량(C2)과 기생 용량(C1)의 사이에 행하여진다. 기생 용량(C1) 간의 전압과 기생 용량(C2)간의 전압이 동등해지면(전위(VK1)과 전위(VK2)이 동등해지면), 재분배가 종료한다(시간(t2)).
재분배가 종료하면, 리차지가 개시된다. 즉, 기생 용량(C2)으로부터의 전류(I2)가 흐르지 않게 되기 때문에, 도 5e에 나타낸 바와 같이게, ??치 저항부(212)를 흐르는 전류(I3)에 의해, SPAD(210)의 리차지가 진행된다. 여기에서, 기생 용량(C2)과 기생 용량(C1)과의 사이의 전하 재분배에 있어서는 전하손실이 없기 때문에, 리차지에 요하는 전하량은, 애벌런치 증배에서 소비된 C1ΔVK1과 다름없다. 즉, 전류(I3)에 의해, C1ΔVK1과 다름없는 전하량이 SPAD(210)에 공급된다. 리차지가 종료하면(시간(t3)), SPAD(210)는, 광자를 다시 검출할 수 있게 된다.
[제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소 동작에 의한 효과]
이어서, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)의 동작에 의해 생기는 효과에 대해서, 종래예와 대비하면서 설명한다. 도 6a는, 종래예에 의한 화소의 구성예를 나타내는 도이며, 이 구성예는 비특허문헌 1에 개시되고 있는 구성과 거의 동일하다. 도시된 대로, 종래예의 화소에서는, 애벌런치 포토다이오드(PD1)와, 저항기(RL)와, 저항기(RS)가 직렬로 접속되어 있다. 또한, 저항기(RL)와 저항기(RS)와의 접속점에는, 인버터(IVT)가 접속되어 있다. 이 구성에 있어서, 저항기(RS)의 일단(저항기(RS)와 저항기(RL)와의 접속점과 반대측의 단부)이 접지되고, 애벌런치 포토다이오드(PD1)에 역방향 바이어스 전압(예를 들면 수 10V)이 인가된다. 애벌런치 포토다이오드(PD1)에 광자가 입사하여, 애벌런치 증배가 생기면, 도 6a중에 곡선(CL1)로 나타낸 바와 같이, 애벌런치 포토다이오드(PD1)에 있어서 전압 강하가 생긴다. 한편, 이 전압 강하에 따라, 저항기(RL)와 저항기(RS)와의 접속점에 있어서의 전압, 즉 인버터(IVT)의 입력단에 인가되는 전압(VIVT)도 또한 저하된다(도 6a중의 곡선(CL2)).
여기에서, 애벌런치 증배에 의한 애벌런치 포토다이오드(PD1)에 있어서의 전압 강하를 Vd라고 하고 저항기(RL)의 저항치를 RQ1이라고 하고 저항기(RS)의 저항치를 RQ2로 하면, 전압VIVT는 이하의 식으로 나타내진다.
VIVT=Vd×{1/(1+RQ1/RQ2)}
즉, 저항치(RQ1)와 저항치(RQ2)와의 비(RQ1/RQ2)에 의해, 인버터(IVT)의 입력단에 인가되는 전압(VIVT)은, 애벌런치 포토다이오드(PD1)에 있어서의 전압 강하(Vd)보다도 저감된다. 특히, 이 비(RQ1/RQ2)가 클수록, 전압(VIVT)은 낮아진다. 일반적으로, 애벌런치 포토다이오드(PD1)에 인가되는 전압은 수 10V에도 달하기 때문에, 애벌런치 증폭시의 전압 강하(Vd)도 예를 들면 인버터(IVT)의 내압을 넘게 될 수 있다. 그러나, 저항기(RL)의 저항치(RQ1)과 저항기(RS)의 저항치(RQ2)과의 비를 적당히 조정하는 것에 의해, 전압(VIVT)를 인버터(IVT)의 내압보다도 낮게 하는 것이 가능해지고, 인버터(IVT)를 보호하는 것이 가능해진다.
그러나, 현실의 회로에 있어서는, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 애벌런치 포토다이오드(PD1)의 캐소드 단에 캐소드 기생 용량(C01)이 생기고, 인버터(IVT)의 입력단에 입력 기생 용량(C02)이 생긴다. 여기에서, 비(RQ1/RQ2)를 크게 하기 위해서, 저항기(RL)의 저항치(RQ1)를 크게 하면, 저항치(RQ1), 캐소드 기생 용량(C01), 및 입력 기생 용량C02로 의해 결정되는 시정수가 커진다. 그 결과, 리차지 하는 시간이 길어져, 데드타임이 길어져버린다.
한편, 본 개시의 제1 실시 형태에 있어서는, 도 5b로부터 도 5d까지 나타내지는, 애벌런치 증배, ??칭, 재분배, 및 리차지라고 하는 일련의 동작중에, SPAD(210)의 캐소드 전위(VK1)는 ΔVK1 만큼 저하되고, 차폐 저항부(211)의 타단(SPAD(210)와 접속되는 일단과 반대측의 단부)에 있어서의 전위(VK2)는 ΔVK2 만큼 저하된다. 여기에서, 기생 용량(C1)의 용량(값)을 CC1으로 하고 기생 용량(C2)의 용량(값)을 CC2로 하면, ΔVK2은, 이하의 식으로 나타내진다.
　　　ΔVK2=ΔVK1×{1/(1+CC2/CC1)}
즉, 일련의 동작중에 차폐 저항부(211)의 타단에서 생기는 전압(ΔVK2)은, SPAD(210)사이에서 생기는 전압(ΔVK1)에 비해, 용량비(CC2/CC1)의 분만큼 낮아진다. 차폐 저항부(211)의 타단에 있어서의 전압(ΔVK2)은, 독출회로(230)의 입력 전압이며, SPAD(210)사이에 생기는 전압(ΔVK1)보다도 낮아진다. 이에 의해, 독출회로(230)를 보호하는 것이 가능해진다. 즉, 독출회로(230)는, 기생 용량(C2)의 용량(값)(CC2)과 기생 용량(C1)의 용량(값)(CC1)과의 비(CC2/CC1)에 의해, 보호된다고 할 수 있다.
또한, 도 5b를 참조하여 설명한 바와 같이, 차폐 저항부(211)가, SPAD(210)의 캐소드와 애노드와의 사이의 저항치(RON)보다도 큰 저항치(Rsh)를 가지기 때문에, SPAD(210)의 애벌런치 증배 시에는, 기생 용량(C2)으로부터는 전류(I2)가 조금 흐르는데 불과하고, 주로 기생 용량(C1)으로부터 전류(I1)가 흐른다. 또한,
기생 용량(C1)의 용량(값)(CC1) <기생 용량(C2)의 용량(값)(CC2)
　　　저항치(RON) <저항치(Rsh)
라는 관계에 의해, 용량(값)CC1과 저항치(RON)로 결정되는 시정수가, 용량(값)CC2과 저항치(Rsh)로 결정되는 시정수보다도 작아진다. 시정수가 작은 회로를 통해서 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에 전류(I1)가 공급되기 때문, 애벌런치 증배가 발생하는 기간이 단축화될 수 있다. 따라서, SPAD(210)에 광자가 입사하고 나서, 다시 광자의 검출이 가능해질 때까지의 시간(광의의 데드타임)의 단축화가 가능해진다.
또한, 애벌런치 증폭시에는, 주로 기생 용량(C1)으로부터 전류(I1)가 흐르고, 기생 용량(C2)으로부터는 전류(I2)가 조금 흐르는 것에 지나지 않기 때문에, 흐르는 전류가 저감될 수 있다. 따라서, 기생 용량(C2)으로부터도 전류(I2)가 흐를 경우에 비해, 소비 전력을 저감하는 것이 가능해진다.
나아가, ??칭이 생기는 동시에, 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에의 전하의 재분배가 일어나고, 재분배가 종료하고 나서 처음으로 ??치 저항부(212)를 흐르는 전류(I3)가 리차지에 기여하는 것이 된다. 따라서, 전류(I3)에 의한 리차지에 필요로 하는 시간이 짧아져, 데드타임을 단축화하는 것이 가능해진다. 나아가, 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에 전하가 재분배되기 때문, 리차지에 필요한 전류(I3)는 저감될 수 있다. 즉, 소비 전력이 저감될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의한 광학 디바이스의 화소(200)에서는, 기생 용량(C2)의 용량(값)(CC2)과 기생 용량(C1)의 용량(값)(CC1)과의 비(CC2/CC1)에 의해 독출회로(230)에의 입력 전압을 독출회로(230)의 내압보다도 저감할 수 있다. 또한, SPAD(210)의 캐소드와 독출회로(230)의 입력단과의 사이에, SPAD(210)의 캐소드와 애노드와의 사이의 저항치(RON)보다도 큰 저항치(Rsh)를 가지는 차폐 저항부(211)가 설치되기 때문에, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다. 또한, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)가 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 크기 때문에, 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에의 전하의 재분배가 종료하고 나서, 전류(I3)에 의한 리차지가 개시된다. 즉, 리차지에 필요로 하는 전력도 저감할 수 있고, 소비 전력을 더 저감하는 것이 가능해진다.
[차폐 저항부의 구체예]
다음으로, 도 7a 및 도 7b를 참조하여, 차폐 저항부(211)의 구체예에 대해서 설명한다. 이 도에 있어서는, 도 4b에 나타낸 디지털 카운터 회로(240)(또는 TDC회로)나, 워드라인(WL), 비트선(BL) 등은 생략되어 있다.
도 7a는, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스(100)의 화소(200)에 있어서의 차폐 저항부(211)의 구체예 1을 나타내는 블록도이다. 도시된 대로, 차폐 저항부(211)는 저항 소자(211A)에 의해 실현될 수 있다. 저항 소자(211A)는, 예를 들면 고저항 폴리 실리콘이나 메탈 저항 등에 의해 형성되어도 된다. 고저항 폴리 실리콘 또는 메탈 저항은, 배선 형성시에, 기지의 반도체 제조 프로세스에 있어서의 박막 형성 프로세스, 포토 리소그래피 기술, 에칭 프로세스 등에 의해 형성된다.
또한, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 구체예 2에 있어서는, 차폐 저항부(211)가, 예를 들면 P채널형의 금속산화물반도체(MOS) 트랜지스터(211B)에 의해 구성되어도 된다. 이 경우, MOS 트랜지스터(211B)의 게이트에 대하여 바이어스 전압을 인가하는 바이어스전압생성부(250)이 설치된다. 예를 들면 행주사회로(320)(도 4a)로부터의 지시 신호에 의해, 바이어스전압생성부(250)로부터 MOS트랜지스터(211B)의 게이트에 인가되는 전압이 조정됨으로써, MOS트랜지스터(211B)의 소스·드레인간의 저항치, 즉 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)가 조정될 수 있다. 이 조정에 의해, SPAD(210)의 저항치(RON)와 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이의 RON < Rsh 라는 관계를 적절하게 실현할 수 있다. 따라서, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감이 확실하게 실현될 수 있다.
한편, 도 7b에는, 하나의 MOS트랜지스터(211B)가 도시되어 있지만, 복수의 MOS트랜지스터(211B)를 직렬로 배치하고, 각각 데이터 전압을 인가하는 것에 의해, 차폐 저항부(211)의 전체 저항치(Rsh)를 조정하도록 해도 된다. 또한, 도 7a 및 도 7b에 있어서는, 제1 실시 형태에 있어서의 화소(200)를 나타내고 있지만, 이 구체예 1은, 제3 실시 형태에 있어서의 화소(200B)에도 적용가능하다.
또한, SPAD(210)의 애벌런치 증배 시에는, MOS트랜지스터(211B)의 소스·드레인간의 저항치를 크게 함으로써, 기생 용량(C2)으로부터 전류(I2)가 흐르는 것을 억제하고, 소비 전력을 저감하는 한편, ??칭 발생과 함께 MOS트랜지스터(211B)의 소스·드레인간의 저항치를 저하되게 하는 것에 의해, 전하의 재분배를 촉진하고, 데드타임을 단축하는 것도 가능해진다.
[??치 저항부의 구체예]
다음으로, ??치 저항부(212)의 구체예에 대해서 설명한다. 도 8a는, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)에 있어서의 ??치 저항부의 구체예 1을 나타내는 블록도이다.
도 8a에 나타낸 바와 같이, ??치 저항부(212)는, 정전류원(212A)을 가질 수 있다. 정전류원(212A)은 큰 내부저항을 가지기 때문에, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이의 Rsh < Rq 라는 관계가 만족하기 쉽다. 따라서, 애벌런치 증폭시나, 기생 용량(C2)과 기생 용량(C1)의 사이 전하 재분배시에 있어서, ??치 저항부(212)로부터의 전류(도 5b등에 있어서의 전류(I3)에 상당)의 기여를 저감하는 것이 가능해지고, 전력 소비를 저감하는 것도 가능해진다. 또한, 정전류원(212A)에 의해, 리차지 때의 전류(전류(I3)에 상당)를 소정의 값으로 유지할 수도 있다. 이 때문에, 리차지 전류를 적당히 조정하는 것에 의해, 리차지를 효율적으로 실행하는 것이 가능해진다.
그 다음에, ??치 저항부(212)의 구체예 2에 대해서 설명한다. 구체예 2에 있어서의 화소(200C)에 있어서는, 도 8b에 나타낸 바와 같이, 제1 실시 형태의 화소(200)에 있어서의 ??치 저항부(212) 대신 액티브 리차지 회로(212B)가 설치되어 있다. 단, 액티브 리차지 회로(212B)는, 화소(200A나 200B)에도 적용가능하다.
액티브 리차지 회로(212B)는, 스위치(212S)와, 이 스위치(212S)를 ON/OFF 제어하는 제어부(212C)를 가지고 있다. 스위치(212S)는, 제어부(212C)의 제어하에서, 소정의 전원(VDDH)과 차폐 저항부(211)를 전기적으로 접속해 절단한다. 제어부(212C)는, 일단에서 독출회로(230)의 출력단에 접속되어 있다. 이에 의해, 제어부(212C)는, 독출회로(230)의 출력 전압을 검지한다. 구체적으로는, 제어부(212C)는, 독출회로(230)로부터의 펄스 형상의 출력 전압의 내려감을 검지하면, 소정의 지연 시간 후에, 스위치(212S)에 대하여, 스위치(212S)를 ON으로 하는 ON신호를 출력한다. 또한, 제어부(212C)는, ON신호 출력후, 소정의 기간이 경과했을 때에, 스위치(212S)에 대하여, 스위치(212S)를 OFF로 하는 OFF신호를 출력한다.
상기의 구성된 액티브 리차지 회로(212B)는 다음과 같이 동작한다. 도 8c에 나타낸 바와 같이, 시간(t0)에서, 광자의 입사에 의해 애벌런치 증폭이 생기면, 캐소드 전위(VK1)가 저하되어 간다. ??칭이 발생하고, 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에의 전하의 재분배가 개시되면, 캐소드 전위(VK1)는 다시 상승해 간다. 즉, 캐소드 전위(VK1)는 부의 펄스 형상으로 변화된다. 이에 대하여, 차폐 저항부(211)와 액티브 리차지 회로(212B)와의 접속점에 있어서의 전위(VK2)는, 애벌런치 증폭시(기간t0∼t1) 및 재분배시(기간t1∼t2)을 통해서 저하된다. 이러한 전위 변화가 독출회로(230)에 의해 검출된다. 여기에서, 전위(VK2)가 소정의 제1 임계값 전위보다 저하되었을 때에, 독출회로(230)는 출력 전압을 출력하고, 소정의 제2 임계값 전위(Vth)보다 전위(VK2)가 저하되었을 때에, 독출회로(230)는 출력 전압의 출력을 정지한다. 즉, 독출회로(230)는, 전위(VK2)가 제1 임계값 전위로부터 제2 임계값 전위(Vth)까지 변화되는 기간에, 펄스 형상의 출력 전압을 출력한다. 제어부(212C)는, 독출회로(230)의 출력 전압의 하강을 검지하면 (시간(tD)), 소정의 지연 시간(기간tD∼t3)의 경과후, 스위치(212S)에 대하여 ON신호를 출력한다. 이에 의해, 스위치(212S)가 ON이 되어 (시간t3), 소정의 전원으로부터 차폐 저항부(211)를 통해서 SPAD(210)에 전류가 공급된다.
액티브 리차지 회로(212B)에 있어서는, 상술한 대로, 전위(VK2)가 제2 임계값 전위(Vth)보다 저하될 때까지는(독출회로(230)로부터의 펄스 형상의 출력 신호가 하강할 때까지는), 스위치(212S)는 OFF로 되어 있다. 이 때문에, 광자가 입사하고 나서, 독출회로(230)로부터의 펄스 형상의 출력 신호가 하강할 때까지의 기간에 있어서, 전원으로부터 차폐 저항부(211)에의 전류(도 5b 등에 있어서의 전류(I3)에 상당)의 공급이 정지된다. 따라서, 애벌런치 증폭시에는 기생 용량(C1)으로부터 전류가 흐르고, 전하의 재분배시에는 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에 전류가 흐른다. 스위치(212S)가 OFF이기 때문에, 차폐 저항부(211)를 통해서 전류가 흐르지 않기 때문에, 소비 전력을 확실하게 저감할 수 있다.
또한, 독출회로(230)로부터의 펄스 형상의 출력 신호의 하강이 검지되고, 소정의 지연 시간이 경과하면, 스위치(212S)가 ON이 된다(시간t3). 이에 의해, 전원으로부터 차폐 저항부(211)에 전류가 공급되어, 리차지가 촉진된다. 따라서, 데드타임을 단축화하는 것이 가능해진다. 여기에서, 스위치(212S)가 ON이 되는 타이밍을 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에의 전하의 재분배가 종료하는 시점에 맞추면, 데드타임의 단축화를 보다 적절하게 실현할 수 있다. 한편, 전원 대신 정전류원을 설치해도 된다. 이에 의하면, 스위치(212S)가 ON이 된 후에 흐르는 전류의 전류값을 적당히 조정할 수 있고, 따라서 리차지를 단시간으로 종료시키는 것도 가능해진다.
한편, 시간(t3)에 있어서, 스위치(212S)가 ON이 되고, 전원으로부터 차폐 저항부(211)에 전류가 공급되면, 전위(VK2)가 광자 입사전의 전위로 빠른 속도로 되돌아가는 한편, 도 8c에 나타낸 바와 같이, SPAD(210)의 캐소드 전위(VK1)는, 전위(VK2)보다 늦게, 광자 입사전의 전위에 되돌아간다. 이는, 전위(VK1)에 대해서는, 차폐 저항부(211)의 저항치 분만큼 시정수가 커지기 때문이다.
[판독회로의 구체예]
다음으로, 독출회로(230)의 구체예에 대해서 설명한다. 도 9a는, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)에 있어서의 판독회로의 구체예 1을 나타내는 블록도이다.
도 9a에 나타낸 바와 같이, 독출회로(230)는 인버터(230A)를 가질 수 있다. 인버터(230A)의 입력단은, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점과 접속되어 있다. 또한, 인버터(230A)에는, 소정의 배선에 의해 전력이 공급된다.
도 9b에 나타낸 바와 같이, 인버터(230A)는, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점에 있어서의 전위(VK2)가 소정의 임계값(Vth)보다도 낮아지면, 출력 전압(Vout)이 HIGH가 되고, 전위(VK2)가 소정의 임계값(Vth)를 넘으면, 출력 전압(Vout)이 LOW가 되게 동작한다. 이에 의해, 전위(VK2)가 V자 형상으로 변화되었을 경우에도, 그 변화를 사각형 파형의 펄스 물결로서 출력할 수 있다. 독출회로(230)로서 인버터(230A)를 채용하는 것에 의해, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점에 있어서의 전위(VK2)의 변화를 판독하는 것이 가능해진다.
또한, 판독회로의 구체예 2에 있어서는, 도 9c에 나타낸 바와 같이, 독출회로(230)는, P채널형의 MOS트랜지스터(230B)와, 전류원(230C)을 가진다. 이에 의하면, 전위(VK2)의 크기가 소정의 전압 이하인 기간에는 MOS트랜지스터(230B)가 ON이 되고, 그 기간에 대응하는 펄스 형상의 소정의 출력 전압(Vout)이 출력된다. 이 때문에, 도 9a의 인버터(230A)와 같이 전위(VK2)의 변화를 읽어 내는 것이 가능해진다.
(제2 실시 형태)
다음으로, 도 10a 및 7b를 참조하여, 본 개시의 제2 실시 형태에 관한 광학 디바이스에 대해서 설명한다. 도 10a는, 제2 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200A)의 개략 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 10a에는, 디지털 카운터 회로(240)(또는 TDC회로)나, 워드라인(WL), 비트선(BL)등이 생략되어 있지만, 도시 이외의 구성에 대해서는, 화소(200A)는, 제1 실시 형태에 의한 광학 디바이스(10)의 화소(200)와 마찬가지이다. 또한, 본 실시형태에 의한 광학 디바이스는, 제1 실시 형태에 의한 광학 디바이스(100)와 같은 구성을 가질 수 있고, 광학 디바이스(100)와 마찬가지로 전자기기(1)(도 1)에 있어서 광학 디바이스(10)와 치환될 수 있다.
도 10a를 참조하면, SPAD(210A)의 애노드에 대하여 차폐 저항부(211)의 일단이 접속되고, 차폐 저항부(211)의 타단에 대하여 ??치 저항부(212)의 일단이 접속되어 있다. 즉, 본 실시형태에 있어서의 화소(200A)에서는, 제1 실시 형태에 있어서의 화소(200)에서 SPAD(210)의 캐소드측에 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)가 직렬로 접속되어 있었던 것과 달리, SPAD(210A)의 애노드측에 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)가 직렬로 접속되어 있다. 한편, SPAD(210A)의 저항치(RON)와 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)가 RON < Rsh 라는 관계를 만족시키고, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와 ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)가 Rsh < Rq라고 하는 관계를 만족하고 있는 점에 대해서는, 화소(200A)는 화소(200)와 마찬가지이다.
도시된 대로, SPAD(210A)의 애노드와 차폐 저항부(211)와의 사이에 기생 용량(C1)이 생긴다. 이 기생 용량(C1)은, SPAD(210A)의 용량이나, SPAD(210A)와 차폐 저항부(211)를 접속하는 배선에 의해 생기는 용량 등의 합성 용량에 상당한다. 나아가, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 사이에서 기생 용량(C2)이 생긴다. 기생 용량(C2)은, 차폐 저항부(211)에 의해 생기는 용량이나, ??치 저항부(212)에 의해 생기는 용량, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)를 접속하는 배선에 의해 생기는 용량, 독출회로(230)에 포함되는 인버터 등의 소자의 용량 등의 합성 용량에 상당한다. 또한, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점에는 독출회로(230)의 입력단이 접속되어 있다.
SPAD(210A)의 캐소드가 소정의 전원의 고전위 단자와 접속되고, ??치 저항부(212)의 타단(??치 저항부(212)와 차폐 저항부(211)와의 접속점과 반대측의 단부)이 소정의 전원의 저전위 단자와 접속된다. 동작시에 있어서는, 소정의 전원에 의해, SPAD(210A)간에 가이거 영역에 대응하는 소정의 역방향 바이어스 전압(전위(VDDH)-전위(VDDL))이 인가된다.
다음으로, 본 실시형태에 있어서의 SPAD(210A)의 동작에 대해서 설명한다. 도 10b는, 화소(200A)의 SPAD(210A)에 하나의 광자가 입사했을 때의 SPAD(210A)의 애노드 전위(VA1)와, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점(독출회로(230)의 입력단)의 전위(VA2)와의 변화를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
소정의 전원으로부터, SPAD(210A)에 대하여 가이거 영역에 대응하는 소정의 전압이 인가되고 있을 경우에, SPAD(210A)에 하나의 광자가 입사하면(시간(t0)), SPAD(210A)에 있어서 애벌런치 증배가 발생하고, 캐소드로부터 애노드를 향해서 대전류가 흐른다. 이에 의해, 도 10b에 나타낸 바와 같이 기간(t0∼t1)에 있어서는, SPAD(210A)의 애노드 전위(VA1)가 (전위(VDDL)에 대하여) 상승한다.
이 때, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)가, SPAD(210A)의 저항치(RON)보다도 크기 때문에, SPAD(210A)에는, 주로 기생 용량(C1)으로부터 전류(I1)가 흐른다. 기생 용량(C2)으로부터는 전류(I2)가 조금 흐르는 것에 지나지 않기 때문에, 애벌런치 증폭시에 SPAD(210A)에 흐르는 전류가 저감될 수 있다. 이 때문에, 소비 전력이 저감될 수 있다.
또한, 기생 용량(C1)의 용량(값)(CC1)이, 기생 용량(C2)의 용량(값)(CC2)보다도 작고, SPAD(210)의 캐소드와 애노드와의 사이의 저항치인 RON이, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 작기 때문에, 용량(값)(CC1)과 저항치(RON)로 결정되는 시정수는, 용량(값)(CC2)과 저항치(Rsh)로 결정되는 시정수보다도 작다. 기생 용량(C1)으로부터의 전류(I1)가 시정수가 작은 회로를 통해서 SPAD(210)에 공급되기 때문에, 애벌런치 증배가 발생하는 기간이 단축화될 수 있다. 따라서, SPAD(210)에 광자가 입사하고 나서, 다시 광자의 검출이 가능해질 때까지의 시간(광의의 데드타임)의 단축화가 가능해진다.
또한, 애벌런치 증폭시의 SPAD(210A)의 애노드 전위(VA1)의 상승에 따라, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)와의 접속점의 전위(VA2)도 또한 상승한다. 여기에서, 전위(VA1)의 상승을 ΔVA1로 하고, 전위(VA2)의 상승을 ΔVA2이라고 하고, 기생 용량(C1)의 용량(값)을 CC1이라고 하고, 기생 용량(C2)의 용량(값)을 CC2로 하면,
ΔVA2=ΔVA1×{1/ (1+CC2/CC1)}
으로 나타내어진다.
즉, 독출회로(230)의 입력단에 인가되는 전압(ΔVA2)은 ΔVA1보다도 낮아진다. 이 때문에, 입력 전압(ΔVA2)을 독출회로(230)의 내압보다도 낮게 유지할 수 있고, 독출회로(230)을 보호하는 것이 가능해진다.
애노드 전위(VA1)의 상승에 따라, SPAD(210A)에 인가되는 전압(의 절대치)이 항복 전압(의 절대치) 보다도 작아지면, ??칭이 생긴다 (시간(t1)). ??칭이 생기는 동시에, 기생 용량(C2)과 기생 용량(C1)과의 사이에서 전하의 재분배가 개시된다(시간(t1)). 즉, 기생 용량(C2)에 남는 전하가 차폐 저항부(211)를 통해서 기생 용량(C1)으로 이동해 간다. 여기에서, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)가 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 크기 때문에, ??치 저항부(212)를 흐르는 전류(I3)는, 전하의 재분배에는 조금 기여하는 것에 지나지 않는다. 이 때문에, 전하의 재분배는, 주로 기생 용량(C1)과 기생 용량(C2)과의 사이에서 생긴다. 기생 용량(C1)사이의 전압과 기생 용량(C2)사이의 전압이 동등해지면, 재분배가 종료한다(시간(t2)).
재분배가 종료하면, 리차지가 개시된다. 즉, 전하의 재분배가 종료하면, 기생 용량(C2)으로부터는 전류가 흐르지 않게 되기 때문에, ??치 저항부(212)를 흐르는 전류(I3)에 의해 SPAD(210)가 리차지 된다. 리차지가 종료하면(시간(t3)), SPAD(210)는, 광자를 다시 검출할 수 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 제2 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200A)에 의하면, 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)가 SPAD(210A)의 애노드측에 배치되고 있을 경우에도, SPAD(210)의 캐소드와 애노드와의 사이의 저항치(RON)와 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)가 RON < Rsh 라는 관계를 만족시키고, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와 ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)가 Rsh < Rq 라는 관계를 만족시키고, 나아가 기생 용량(C1)의 용량(값)(CC1)과 기생 용량(C2)의 용량(값)(CC2)이 CC1 < CC2 라는 관계를 만족시키기 때문에, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)와 마찬가지의 효과가 발휘된다.
또한, 도 10c에 나타낸 바와 같이, 제2 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200A)에 있어서는, 차폐 저항부(211)는 예를 들면 N채널형의 MOS트랜지스터(211C)에 의해 구성될 수 있다. 이 경우, MOS트랜지스터(211C)의 게이트에 대하여 바이어스 전압을 인가하는 바이어스전압생성부(250)가 설치된다. 화소(200A)에 있어서 차폐 저항부(211)로서 MOS트랜지스터(211C)를 사용할 경우에도, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)에 있어서 P채널형의 MOS트랜지스터(211B)(도 7b)를 사용했을 경우와 마찬가지의 효과가 발휘된다. 나아가, 이 경우에도, 복수의 MOS트랜지스터(211C)를 사용해도 된다.
한편, 도 8a로부터 도 8c까지를 참조하여 설명한 ??치 저항부의 구체예, 도 9a로부터 도 9c까지를 참조하여 설명한 판독회로의 구체예도 또한, 제2 실시 형태에 적당히 적용가능하다.
(제3 실시 형태)
다음으로, 도 11을 참조하여, 본 개시의 제3 실시 형태에 관한 광학 디바이스에 대해서 설명한다. 도시된 대로, 본 실시형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200B)에서는, SPAD(210), 차폐 저항부(211), ??치 저항부(212), 및 독출회로(230)가 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)(도 4b)와 마찬가지로 배치되고 있다. SPAD(210)의 저항치(RON)와 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는 RON < Rsh 라는 관계가 성립하고, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와 ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와의 사이에Rsh <Rq 라는 관계가 성립한다는 점에 있어서도, 화소(200B)는 화소(200)와 마찬가지이다. 한편, 도 4b에 나타내지는 디지털 카운터 회로(240)(또는 TDC회로)나, 워드라인(WL), 비트선(BL) 등은 도 11에서는 생략되어 있지만, 화소(200B)는 상술한 화소(200나 200A)와 마찬가지로 구성되어도 된다. 또한, 본 실시형태에 의한 광학 디바이스는, 제1 실시 형태에 의한 광학 디바이스(100)와 같은 구성을 가질 수 있고, 광학 디바이스(100)와 마찬가지로 전자기기(1)(도 1)에 있어서 광학 디바이스(10)와 치환될 수 있다.
한편, 본 실시형태에 있어서의 화소(200B)에는 용량 가변 소자(VC1 및 VC2)가 설치되어 있다. 구체적으로는, 용량 가변 소자(VC1)는, 그 일단이 접지되고, 타단이 SPAD(210)의 캐소드에 접속되게 설치된다. 또한, 용량 가변 소자(VC2)는, 그 일단이 접지되고, 타단이 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)를 접속하는 배선에 접속되게 설치된다. 즉, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)에 있어서의 기생 용량(C1) 대신 용량 가변 소자(VC1)가 설치되고, 기생 용량(C2) 대신 용량 가변 소자(VC2)가 설치되어 있다.
용량 가변 소자(VC1 및 VC2) 각각은, 예를 들면, 하나의 MOS트랜지스터에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, MOS트랜지스터의 게이트에 게이트 전압을 인가하는 바이어스 전압생성부가 설치된다. 예를 들면 행주사회로(320)의 제어하에서, 바이어스전압생성부로부터 MOS트랜지스터의 게이트 전극에 인가되는 게이트 전압이 조정됨으로써, 용량 가변 소자(VC1 및 VC2)의 용량을 조정할 수 있다.
또한, 용량 가변 소자(VC1 및 VC2) 각각은, 복수개의 MOS트랜지스터에 의해 형성되어도 된다. 이 경우, 각 MOS트랜지스터의 게이트에 데이터 전압을 인가하는 바이어스전압생성부가 설치된다. 이러한 구성에 의하면, 예를 들면 행주사회로(320)의 제어하에서, 게이트 전압이 인가되는 MOS트랜지스터의 수가 조정됨으로써, 용량 가변 소자(VC1 및 VC2)의 용량을 조정할 수 있다. 한편, 상보적 금속산화물반도체(CMOS) 트랜지스터에 의해 용량 가변 소자(VC1 및 VC2)를 형성해도 된다.
본 실시형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200B)에 있어서도, 제1 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)와 마찬가지로, SPAD(210)의 저항치(RON)와 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는 RON < Rsh 라는 관계가 있고, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와 ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와의 사이에는 Rsh < Rq 라는 관계가 있기 때문에, 용량 가변 소자(VC1)와 용량 가변 소자(VC2)의 용량을 후자의 용량이 커지게 조정하면, 화소(200)가 나타내는 효과와 같은 효과가 화소(200B)에 의해서도 발휘된다.
또한, 본 실시형태 관한 광학 디바이스의 화소(200B)에 있어서는, 용량 가변 소자(VC1 및 VC2)가 설치되어 있고, 각각의 용량을 조정할 수 있다. 이에 의해, 용량 가변 소자(VC1 및 VC2)에 축적되는 전하의 전하량도 조정할 수 있다. 그 때문에, 애벌런치 증배 시에 용량 가변 소자(VC1)로부터 SPAD(210)에 흐르는 전류의 전류량이나, ??칭후의 전하의 재분배의 시에 용량 가변 소자(VC2)로부터 용량 가변 소자(VC1)에 이동하는 전하의 전하량을 조정하는 것이 가능해진다. 그 결과, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감이 확실하게 실현될 수 있다.
한편, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 차폐 저항부의 구체예, 도 8a로부터 도 8c까지를 참조하여 설명한 ??치 저항부의 구체예, 도 9a로부터 도 9c까지를 참조하여 설명한 판독회로의 구체예도 또한, 제3 실시 형태에 적당히 적용가능하다.
(제4 실시 형태)
다음으로, 도 12로부터 도 16까지를 참조하면서, 본 개시의 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스에 대해서 설명한다. 도 12는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 적층 구조예를 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 광학 디바이스(100)는, 제1 기판(71)과, 제1 기판(71)위에 접합된 제2 기판(72)을 구비한다.
제1 기판(71)은, 예를 들면, 화소(200)가 행렬 형상으로 배치되고 화소 어레이부(PAR)(도 4a 참조)를 가진다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 제1 기판(71)에는, SPAD(210)와, 배선층(120)과, 접속 패드(125)가 화소마다 형성되어 있다. 후술하는 바와 같이 배선층(120)에는 차폐 저항부(211)가 포함되어 있다. 차폐 저항부(211)의 일단은, SPAD(210)의 캐소드에 접속되어 있다. 차폐 저항부(211)의 타단은, 소정의 배선에 의해 접속 패드(125)에 접속되어 있다. 접속 패드(125)는, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 접합되기 전에는, 제1 기판(71)의 일면(도 12의 상하 방향에 있어서의 상면)에 노출되어 있다. 접속 패드(125)는, 예를 들면 구리(Cu)로 형성된다.
한편, SPAD(210)는, 제1 기판(71)의 하면측에 설치된다. 즉, 도 12에 있어서의 제1 기판(71)의 하면이 광입사면이며, 광자는 도면 중 하방으로부터 SPAD(210)에 입사한다.
도 13에 나타낸 바와 같이, 제2 기판(72)은, 독출회로(230)나, ??치 저항부(212), 배선층(130)을 화소마다에 가지고 있다. 독출회로(230)와 ??치 저항부(212)는, 배선층(130)을 통해서 접속 패드(135)에 접속되어 있다. 접속 패드(135)는, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 접합되기 전에는, 제2 기판(72)의 일면(도 12에 있어서는 하면)에 노출되어 있다. 접속 패드(135)는, 예를 들면 Cu로 형성된다. 한편, 제2 기판(72)에는, 도 4b에 나타내는 디지털 카운터 회로(240)(또는 TDC회로)나, 컬럼 회로(310), 행주사회로(320), 및 인터페이스 회로(330)(도 4a)가 배치되어도 된다.
여기에서, 도 13의 우측에 나타낸 바와 같이, 제2 기판(72)에 형성되는 배선층(130)의 층수는, 제1 기판(71)에 형성되는 배선층(120)의 층수에 비해, 많아지는 경향이 있다. 이는, 제2 기판(72)에는 독출회로(230)나, 디지털 카운터 회로(240)(또는 TDC회로), 워드라인(WL), 비트선(BL) 등이 형성되기 때문에, 형성되는 회로 소자나 배선의 수가 제1 기판(71)에 있어서보다도 제2 기판(72)에 있어서 많아지기 때문이다. 이 때문에, 제2 기판(72)의 접속 패드(135)와 ??치 저항부(212)와의 사이에서 생기는 기생 용량(C2)은, 제1 기판(71)의 SPAD(210)의 캐소드측의 기생 용량(C1)보다도 커진다. 또한, 접합부(260), 즉 접속 패드(125)와 접속 패드(135)와의 접합에 의해서도 기생 용량이 생기지만, 이 기생 용량은, 차폐 저항부(211)에 의해 기생 용량(C1)과의 결합을 방해할 수 있기 때문에, 기생 용량(C2)에 포함되게 된다. 따라서, 기생 용량(C2)의 용량(값)(CC2)에 대한 기생 용량(C1)의 용량(값)(CC1)의 비(CC2/CC1)가 커지고, 독출회로(230)에의 입력 전압을 보다 저감하는 것이 가능해진다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 제1 기판(71)의 접속 패드(125)와 제2 기판(72)의 접속 패드(135)가 본딩(소위 Cu-Cu접합)된 접합부(260)가 형성되어 있다. 이에 의해, 제1 기판(71)에 형성된 SPAD(210)와, 제2 기판(72)에 형성된 독출회로(230)가 전기적으로 접속된다. 또한, 접합부(260)에 의해, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 기계적으로 접합된다.
단, 접속 패드(125 및 135)를 금속 범프에 의해 본딩(소위 범프 접합)하는 것에 의해, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)을 전기적으로 접속하고, 기계적으로 접합해도 된다. 또한, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)과의 접합에는, 예를 들면, 각각의 접합면을 평탄화해서 양자를 전자간력에 의해 서로 붙게 하는, 소위 직접 접합을 사용할 수 있다.
또한, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)은, 예를 들면, 반도체기판을 관통하는 TSV(Through-Silicon Via)등의 접합부를 통해서 전기적으로 접속되어도 된다. TSV를 사용한 접속에는, 예를 들면, 제1 기판(71)에 설치된 TSV와 제1 기판(71)로부터 제2 기판(72)에 걸쳐서 설치된 TSV와의 2개의 TSV를 칩 외표면에서 접속하는, 소위 트윈 TSV 방식이나, 제1 기판(71)으로부터 제2 기판(72)까지 관통하는 TSV로 양자를 접속하는, 소위 쉐어드 TSV 방식 등을 채용할 수 있다.
이어서, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 구체적인 구조에 대해서 설명한다. 도 14는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 광입사면과 수직한 면의 단면구조예를 나타내는 수직단면도이다. 도 15는, 도 14에 있어서의 A-A면의 단면구조예를 나타내는 수평단면도이다. 한편, 도 14에서는, SPAD(210)의 단면구조에 주목하고 있다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 화소(200)의 SPAD(210)는, 예를 들면, 제1 기판(71)을 구성하는 반도체기판(101)에 설치된다. 반도체기판(101)에 있어서는, 예를 들면, 광입사면(도 12에 있어서의 하면)으로부터 보면, 소자분리부(110)에 의해, 복수의 소자영역으로 구획되어 있다(예를 들면, 도 15 참조). SPAD(210)는, 소자분리부(110)에 의해 구획된 각 소자영역에 설치되어 있다. 한편, 소자분리부(110)에는, 후술하는 제1트렌치내의 애노드 전극(122) 및 절연막(109)이 포함되어도 된다.
각 SPAD(210)는, 광전변환영역(102)과, P형 반도체영역(104)과, N-형 반도체영역(103)과, P+형 반도체영역(105)과, N+형 반도체영역(106)과, 캐소드 컨택트(107)와, 애노드 컨택트(108)를 구비한다.
광전변환영역(102)은, 예를 들면, N형의 웰 영역 또는 낮은 농도의 도너를 포함하는 영역이며, 입사광을 광전변환하여 전자정공쌍(이하, 전하라고 한다)을 발생시킨다.
P형 반도체영역(104)은, 예를 들면, P형의 억셉터를 포함하는 영역이며, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 광전변환영역(102)을 둘러싸는 영역에 형성된다. 이 P형 반도체영역(104)은, 후술하는 애노드 컨택트(108)에 역방향 바이어스 전압이 인가됨으로써, 광전변환영역(102)에 발생한 전하를 N-형 반도체영역(103)으로 인도하기 위한 전계를 형성한다.
N-형 반도체영역(103)은, 예를 들면, 광전변환영역(102)보다도 높은 농도의 도너를 포함하는 영역이다. 이 N-형 반도체영역(103)은, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 광전변환영역(102)의 중앙부분에 배치되어, 광전변환영역(102)에서 발생한 전하를 받아들여서 P+형 반도체영역(105)으로 인도한다. 한편, N-형 반도체영역(103)은 필수적인 구성은 아니고, 생략되어도 된다.
P+형 반도체영역(105)은, 예를 들면, P형 반도체영역(104)보다도 높은 농도의 억셉터를 포함하는 영역이며, 그 일부가 P형 반도체영역(104)과 접촉하고 있다. 또한, N+형 반도체영역(106)은, 예를 들면, N-형 반도체영역(103)보다도 높은 농도의 도너를 포함하는 영역이며, P+형 반도체영역(105)과 접촉하고 있다.
이들 P+형 반도체영역(105) 및 N+형 반도체영역(106)은, PN접합을 형성하고, 흘러들어온 전하를 가속화하여 애벌런치 전류를 발생시키는 증폭 영역으로서 기능한다.
캐소드 컨택트(107)는, 예를 들면, N+형 반도체영역(106)보다도 높은 농도의 도너를 포함하는 영역이며, N+형 반도체영역(106)과 접촉하는 영역에 형성되어 있다.
애노드 컨택트(108)는, 예를 들면, P+형 반도체영역(105)보다도 높은 농도의 억셉터를 포함하는 영역이다. 이 애노드 컨택트(108)는, P형 반도체영역(104)의 외주와 접촉하는 영역에 형성되어 있다. 애노드 컨택트(108)의 폭은, 예를 들면, 40nm(나노미터)정도 이어도 된다. 이렇게, 애노드 컨택트(108)를 P형 반도체영역(104)의 외주 전체에 걸쳐 접촉시킴으로써, 광전변환영역(102)에 균일한 전계를 형성하는 것이 가능해진다.
또한, 애노드 컨택트(108)는, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 반도체기판(101)의 표면(도면중, 하면)측에 소자분리부(110)를 따라 행렬 형상으로 설치된 트렌치(이를 이하, 제1 트렌치라고 한다)의 저면에 설치되어 있다. 이러한 구조에 의해, 후술하는 바와 같이, 애노드 컨택트(108)의 형성 위치가, 캐소드 컨택트(107) 및 N+형 반도체영역(106)의 형성 위치에 대하여, 높이 방향으로 어긋나게 되어 있다.
반도체기판(101)의 표면(도면중, 하면)측은, 절연막(109)에 의해 덮어져 있다. 제1 트렌치내에 있어서의 절연막(109)의 막두께(기판폭방향의 두께)는, 애노드-캐소드간에 인가되는 역방향 바이어스 전압의 전압값에도 의존하지만, 예를 들면, 150nm정도 이어도 된다.
절연막(109)에는, 반도체기판(101) 표면의 캐소드 컨택트(107) 및 애노드 컨택트(108)를 노출시키는 개구가 설치되고 있어, 각각의 개구에, 캐소드 컨택트(107)와 접촉하는 캐소드 전극(121) 및 애노드 컨택트(108)와 접촉하는 애노드 전극(122)이 설치되어 있다.
각 SPAD(210)를 구획하는 소자분리부(110)는, 반도체기판(101)을 표면으로부터 이면에 걸쳐서 관통하는 트렌치(이를 이하, 제2 트렌치라고 한다)내에 형성되어 있다. 제2 트렌치는, 반도체기판(101)의 표면측에서 제1 트렌치와 연결되어 있다. 제2 트렌치의 내경은, 제1 트렌치의 내경보다도 좁고, 그에 의해 형성되는 단차부분에, 애노드 컨택트(108)이 형성되어 있다.
각 소자분리부(110)는, 제2 트렌치의 내측면을 덮는 절연막(112)과, 제2 트렌치내를 채우는 차광막(111)을 구비한다. 절연막(112)의 막두께(기판폭방향의 두께)는, 애노드-캐소드간에 인가되는 역방향 바이어스 전압의 전압값에도 의존하지만, 예를 들면, 10nm∼20nm정도 이어도 된다. 또한, 차광막(111)의 막두께(기판폭방향의 두께)는, 차광막(111)에 사용하는 재료 등에 의존하지만, 예를 들면, 150nm 정도 이어도 된다.
여기에서, 차광막(111) 및 애노드 전극(122)에 차광성을 가지는 도전재료를 사용함으로써, 차광막(111)과 애노드 전극(122)을 동일공정으로 형성하는 것이 가능해진다. 나아가, 캐소드 전극(121)에도 차광막(111) 및 애노드 전극(122)과 같은 도전재료를 사용함으로써, 차광막(111)과 애노드 전극(122)과 캐소드 전극(121)을 동일공정으로 형성하는 것이 가능해진다.
이러한 차광성을 가지는 도전재료에는, 예를 들면, 텅스텐(W) 등을 사용할 수 있다. 단, 텅스텐(W)에 한정되지 않고, 알루미늄(Al)이나 알루미늄 합금이나 구리(Cu)등, 가시광이나 소자마다에 필요한 광을 반사 또는 흡수하는 성질을 가지는 도전재료라면, 다양하게 변경되어도 된다.
단, 제2 트렌치내의 차광막(111)에는, 도전재료에 한정되지 않고, 예를 들면, 반도체기판(101)보다도 높은 굴절율을 구비하는 고굴절율 재료나, 반도체기판(101)보다도 낮은 굴절율을 구비하는 저굴절율 재료 등을 사용하는 것도 가능하다.
또한, 캐소드 전극(121)에 사용하는 재료에는, 차광성이 요구되지 않기 때문에, 차광성을 가지는 도전재료에 대신하여, 구리(Cu)등의 도전재료가 사용되어도 된다.
한편, 본 실시형태에서는, 제2 트렌치가 반도체기판(101)을 표면측으로부터 관통하는, 소위 FFTI(Front Full Trench Isolation)형의 소자분리부(110)를 예시하지만, 이에 한정되지 않고, 제2 트렌치가 반도체기판(101)을 이면 및/또는 표면측으로부터 관통하는 FTI(Full Trench Isolation)형이나, 제2 트렌치가 반도체기판(101)의 표면 또는 이면으로부터 중간에 걸쳐서 형성된 DTI(Deep Trench Isolation)형 또는 RDTI(Reverse Deep Trench Isolation)형의 소자분리부를 채용하는 것도 가능하다.
제2 트렌치가 반도체기판(101)을 이면측으로부터 관통하는 FTI형으로 했을 경우에는, 제2 트렌치내에는, 반도체기판(101)의 이면측으로부터 차광막(111)의 재료가 메워넣어져도 된다.
캐소드 전극(121) 및 애노드 전극(122)의 상부는, 절연막(109)의 표면(도면중, 하면)으로 돌출하고 있다. 절연막(109)의 표면(도면중, 하면)에는, 예를 들면, 배선층(120)이 설치되어 있다.
배선층(120)은, 층간 절연막(123)과, 층간 절연막(123) 내에 설치된 배선(124)을 구비한다. 배선(124)은, 예를 들면, 절연막(109)의 표면(도면중, 하면)으로 돌출하고 있는 캐소드 전극(121)과 접촉하고 있다. 또한, 배선(124)은, 소정의 비아 등을 통해서 접속 패드(125)와 접촉하고 있다. 여기에서, 배선(124)은, 차폐 저항부(211)(도 13)를 포함할 수 있다. 구체적으로는, 배선(124)의 일부 또는 전부는, 고저항 폴리 실리콘 또는 메탈 저항 등에 의해 구성되어도 된다. 이 경우, 배선(124)은, 차폐 저항부(211)로서의 저항치(Rsh)가, SPAD(210)의 저항치(RON)보다도 커지게 형성된다.
한편, 도 14에서는 생략되고 있지만, 배선층(120)에는, 애노드 전극(122)과 접촉하는 배선도 설치되어 있다. 이 배선은, 소정의 배선층(미도시)과 접속되고, 이 배선층은 광학 디바이스(100)(도 4a)의 주변부에 설치되는 접속 패드(미도시)에 접속된다. 이 접속 패드와 소정의 전원의 저전위 단자가 접속됨으로써, 광학 디바이스(100)의 동작시에는, 애노드 전극(122)이 부전위로 유지될 수 있다.
배선층(120)의 하면에는, 제2 기판(72)의 배선층(130)이 접합된다. 이 접합은, 상술한 대로, 예를 들면, 접속 패드(125)와 접속 패드(135)와의 Cu-Cu접합에 의해 실현된다. 배선층(130)은, 층간 절연막(131)과, 층간 절연막(131) 내에 설치된 배선(132)을 구비한다. 배선(132)은, 반도체기판(141)에 형성된 회로 소자(142)과 전기적으로 접속되어 있다. 회로 소자(142)에는 독출회로(230)가 포함된다. 따라서, 반도체기판(101)의 캐소드 전극(121)은, 배선(124), 접속 패드(125), 접속 패드(135), 및, 배선(132)을 통하여, 도 3에 나타내는 독출회로(230)에 접속되어 있다.
또한, 접속 패드(135)에는 배선(133)도 접속되어 있다. 배선(133)은, ??치 저항부(212)(도 13)를 포함할 수 있다. 구체적으로는, 배선(133)의 일부 또는 전부가 고저항 폴리 실리콘 또는 메탈 저항 등에 의해 형성됨으로써, ??치 저항부(212)가 구성된다. 이 경우, 배선(133)은, ??치 저항부(212)로서의 저항치(Rq)가, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 커지게 형성된다. 또한, 배선(133)은, 소정의 배선층(미도시)과 접속되며, 이 배선층은 광학 디바이스(100)의 주변부에 설치되는 접속 패드(미도시)에 접속된다. 이 접속 패드는, 상기의 전원의 고전위 단자와 접속된다. 이에 의해, 광학 디바이스(100)의 동작시에는, ??치 저항부(212), 차폐 저항부(211), 및 SPAD(210)에 대하여, 가이거 영역에 대응하는 (역방향 바이어스)전압이 인가될 수 있다.
또한, 반도체기판(101)의 이면(도면중, 상면)에는, 피닝층(113)과, 평탄화막(114)이 형성되어 있다. 나아가, 평탄화막(114) 위에는, 화소(200)마다 컬러 필터(115) 및 온 칩 렌즈(116)가 설치되어 있다. 한편, 본 실시형태에서는 컬러 필터(115) 및 온 칩 렌즈(116)가 설치되고 있지만, 광학 디바이스(100)의 사용 용도나 목적에 따라, 컬러 필터 및/또는 온 칩 렌즈를 설치하지 않는 구성도 가능하다.
피닝층(113)은, 예를 들면, 소정농도의 억셉터를 포함하는 산화 하프늄(HfO2)막이나 산화알루미늄(Al2O3)막으로 구성된 고정 전하막이다. 평탄화막(114)은, 예를 들면, 산화실리콘(SiO2)이나 질화 실리콘(SiN) 등의 절연재료에서 구성된 절연막이며, 상층의 컬러 필터(115)나 온 칩 렌즈(116)가 형성되는 면을 평탄화하기 위한 막이다.
이상과 같은 구조에 있어서, 캐소드 컨택트(107)와 애노드 컨택트(108)와의 사이에 가이거 영역에 대응하는 (역방향 바이어스)전압이 인가되면, P형 반도체영역(104)과 N+형 반도체영역(106)과의 사이의 전위차에 의해, 광전변환영역(102)에서 발생한 전하를 N-형 반도체영역(103)으로 이끄는 전계가 형성된다. 이에 더해서, P+형 반도체영역(105)과 N+형 반도체영역(106)과의 사이의 PN접합 영역에, 진입된 전하를 가속화시켜 애벌런치 전류를 발생시키는 강전계가 형성된다. 그에 의하여, SPAD(210)의 애벌런치 포토다이오드로서의 동작이 허가된다.
계속하여, 본 실시형태에 관한 광학 디바이스의 효과에 대해서, 비교예와 대비하여 설명한다. 도 16은, 비교예에 의한 광학 디바이스가 가지는 화소의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 16을 참조하면, 비교예에 의한 광학 디바이스의 화소(20A)에 있어서는, SPAD(21)와, 서로 직렬로 접속되는 저항기(RL) 및 저항기(RS)가, 접합부(260)를 통해서 접속되어 있다. 접합부(260)는, 본 개시의 제4 실시 형태에 있어서의 접합부(260)와 마찬가지로, 접속 패드(125) 및 접속 패드(135)에 의해 형성되어 있다. 또한, 저항기(RL)와 저항기(RS)와의 접속점에는, 독출회로(230)가 접속되어 있다. 여기에서, SPAD(21) 및 접속 패드(135)는 제1 기판(710)에 형성되고, 접속 패드(125), 저항기(RL), 및 저항기(RS)는 제2 기판(720)에 형성되어 있다.
접합부(260)에 있어서는, 2개의 접속 패드(135 및 125)가, 예를 들면, Cu-Cu접합에 의해 접합되어 있고, 이러한 접합에 의해 기생 용량(C1b)가 생긴다. 이 때문에, SPAD(21)에 대하여 가이거 영역에 대응하는 역방향 바이어스 전압이 인가되고 있을 때에, SPAD(21)에 광자가 입사하고, 애벌런치 증폭이 생기면, 기생 용량(C1a)와 기생 용량(C1b)의 쌍방으로부터 SPAD(21)에 전류가 흐른다.
이에 비하여, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소(200)에 있어서는, 도 13에 나타낸 바와 같이, SPAD(210)와 접속 패드(135)의 사이에는 차폐 저항부(211)가 설치되어 있다. 차폐 저항부(211)는, SPAD(210)의 저항치(RON)보다도 큰 저항치(Rsh)를 가지기 때문에, 접합부(260)에 의해 생기게 하는 기생 용량(도 13에 있어서는, 기생 용량(C2)에 포함된다)으로부터의 전류를 방해할 수 있어, 주로 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에 전류가 흐른다. 상기의 비교예에 있어서, 기생 용량(C1a)과 기생 용량(C1b)의 쌍방으로부터 SPAD(21)에 전류가 흐를 경우와 비교하여, 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에 전류가 흐를 경우에는, 전류량이 적게 되고, 따라서, 소비 전력을 저감하는 것이 가능해진다. 또한, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 기생 용량(C1)에 의해 결정되는 시정수는, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와, 기생 용량(C2)에 의해 결정되는 시정수보다도 작기 때문에, 기생 용량(C2)으로부터의 전류의 기여가 없을 경우에는, 애벌런치 증폭이 생기는 기간을 단축화하는 것이 가능해진다.
또한, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스에 있어서는, SPAD(210)와 독출회로(230)가 상하로 배치된다. 이 때문에, SPAD(210)와 독출회로(230)가 병치될 경우에 비해, 광의 입사 방향으로부터 본 화소면적이 저감될 수 있다. 따라서, 화소의 고밀도화가 가능해진다.
[제4 실시 형태의 변형예]
이하, 도 17a 내지 도 17e를 참조하여, 제4 실시 형태의 변형예에 대해서 설명한다. 이 변형예는, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 접합부(260)에 의해 접합되는 점에서 제4 실시 형태와 공통되고, 하나의 독출회로(230)에 대하여 복수의 SPAD(210)가 전기적으로 접속되는 점에서, 제4 실시 형태와 다르다.
[변형예 1]
도 17a는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 1을 나타내는 블록도이다. 도 17a를 참조하면, 제1 기판(71)에는 복수의 접속 패드(125)가 설치되어 있다. 복수의 접속 패드(125)의 상면은, 제1 기판(71)의 상면과 동일면을 하고 있다. 또한, 제1 기판(71)의 내부에 있어서, 복수의 접속 패드(125)의 각각에 대하여, SPAD(210)와 차폐 저항부(211)가 직렬로 접속되어 있다. 여기에서, 지금까지 설명한 각 실시 형태와 마찬가지로, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)는, RON < Rsh 라는 관계에 있다.
한편, 제2 기판(72)에는 복수의 접속 패드(135)가 설치되어 있다. 복수의 접속 패드(135)의 하면은, 제2 기판(72)의 하면과 동일면을 하고 있다. 또한, 복수의 접속 패드(135)는 서로 병렬로 접속되며, 병렬 접속된 복수의 접속 패드(135)가 ??치 저항부(212)와 독출회로(230)에 접속되어 있다. 여기에서, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)는, Rsh < Rq 라는 관계에 있다.
나아가, 제2 기판(72)의 복수의 접속 패드(135)는, 제1 기판(71)이 대응하는 접속 패드(125)와 Cu-Cu접합되어 있다. 이에 의해, SPAD(210)와 독출회로(230)가 전기적으로 접속되어, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 기계적으로 접속된다.
이러한 구성에 의하면, 각 SPAD(210)의 캐소드 전위의 변화가, SPAD(210) 마다 설치된 차폐 저항부(211) 및 접합부(260)를 통해서 하나의 독출회로(230)에 의해 검출되는 것이 된다. 바꿔 말하면, 하나의 독출회로(230)가 복수의 SPAD(210)에 공용되고 있다. 또한, 하나의 독출회로(230)가 하나의 화소에 형성되므로, 이 변형예에서는, 복수의 SPAD(210)가 하나의 화소에 설치된다고 할 수도 있다. 화소당 복수의 SPAD(210)를 설치함으로써, 화소마다의 광자 검출이 확실하게 행하여질 수 있다.
또한, 상술한 각 실시 형태(구체예나 변형예를 포함한다)와 마찬가지로, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에 RON < Rsh 라는 관계가 있고, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는, Rsh < Rq 라는 관계가 있다. 따라서, 이 변형예에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
[변형예 2]
도 17b는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 2를 나타내는 블록도이다. 도 17b를 참조하면, 제1 기판(71)에 있어서 복수의 SPAD(210)가 병렬로 접속되어, 병렬로 접속된 복수의 SPAD(210)가 하나의 차폐 저항부(211)에 접속되어 있다. 즉, 차폐 저항부(211)에 대하여 복수의 SPAD(210)가 병렬로 접속되어 있다. 또한, 차폐 저항부(211)는 접속 패드(125)에 접속되어 있다. 접속 패드(125)의 상면은 제1 기판(71)의 상면과 동일면을 하고 있다. 여기에서, 각 SPAD(210)의 저항치(RON)와, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)는, RON < Rsh 라는 관계에 있다.
한편, 제2 기판(72)에는 접속 패드(135)가 설치되어 있다. 접속 패드(135)의 하면은, 제2 기판(72)의 하면과 동일면을 하고 있다. 또한, 접속 패드(135)에는 ??치 저항부(212)와 독출회로(230)가 접속되어 있다. ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)는, Rsh < Rq 라는 관계에 있다.
나아가, 접속 패드(135)는, 제1 기판(71)의 접속 패드(125)와 Cu-Cu 접합되어 있다. 이에 의해, SPAD(210)와 독출회로(230)가 전기적으로 접속되어, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 기계적으로 접속된다.
이러한 구성에 의하면, 각 SPAD(210)의 캐소드 전위의 변화가, 1조의 차폐 저항부(211) 및 접합부(260)를 통해서 하나의 독출회로(230)에 의해 검출되는 것이 된다. 하나의 독출회로(230)가 복수의 SPAD(210)에 공용되고 있는 점에서, 변형예 2는, 상술한 변형예 1과 동일하다. 또한, 하나의 독출회로(230)가 하나의 화소에 형성되기 때문, 이 변형예에서는, 복수의 SPAD(210)가 하나의 화소에 설치된다고 할 수도 있다. 화소당 복수의 SPAD(210)를 설치하는 것에 의해, 화소마다의 광자 검출이 확실하게 행하여질 수 있다.
또한, 상술한 각 실시 형태(구체예나 변형예를 포함한다)와 마찬가지로, 각 SPAD(210)의 저항치(RON)와, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)의 사이에 RON < Rsh 라는 관계가 있고, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)의 사이에는, Rsh < Rq 라는 관계가 있다. 따라서, 이 변형예에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
[변형예 3]
도 17c는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 3을 나타내는 블록도이다. 도 17c를 참조하면, 제1 기판(71)에 있어서, 복수쌍의 서로 직렬로 접속되는 SPAD(210) 및 차폐 저항부(211)가, 접속 패드(125)에 병렬로 접속되어 있다. 접속 패드(125)는, 그 상면이 제1 기판(71)의 상면과 동일면을 하도록 형성되어 있다. 여기에서, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 해당 SPAD(210)와 직렬로 접속되는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와에는, RON < Rsh 라는 관계가 있다.
제2 기판(72)에는, 하나의 접속 패드(135)가, 그 하면이 제2 기판(72)의 하면과 동일면을 하도록 형성되어 있다. 또한, 접속 패드(135)에는 ??치 저항부(212)와 독출회로(230)가 접속되어 있다. ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)는, Rsh < Rq 라는 관계에 있다.
접속 패드(135)는, 제1 기판(71)의 접속 패드(125)와 Cu-Cu 접합되어 있다. 이에 의해, SPAD(210)와 독출회로(230)가 전기적으로 접속되어, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 기계적으로 접속된다.
변형예 3에 있어서는, 각 SPAD(210)의 캐소드 전위의 변화가, 1조의 차폐 저항부(211) 및 접합부(260)를 통해서 하나의 독출회로(230)에 의해 검출되는 것이 된다. 하나의 독출회로(230)가 복수의 SPAD(210)에 공용되고 있는 점에서, 변형예 3은, 상술한 변형예 1과 동일하다. 또한, 하나의 독출회로(230)가 하나의 화소에 형성되기 때문에, 이 변형예에서는, 복수의 SPAD(210)가 하나의 화소에 설치된다고 할 수도 있다. 화소당 복수의 SPAD(210)를 설치하는 것에 의해, 화소마다의 광자 검출이 확실하게 행하여질 수 있다.
또한, 상술한 각 실시 형태(구체예나 변형예를 포함한다)와 마찬가지로, 각 SPAD(210)의 저항치(RON)와, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에 RON < Rsh 라는 관계가 있고, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는, Rsh < Rq 라는 관계가 있다. 따라서, 이 변형예에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
[변형예 4]
도 17d는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 4를 나타내는 블록도이다. 도 17d를 참조하면, 도 17b에 나타내는 변형예 2와 마찬가지로, 제1 기판(71)에 있어서 복수의 SPAD(210)가 병렬로 접속되어, 병렬로 접속된 복수의 SPAD(210)가 하나의 차폐 저항부(211)에 접속되어 있다. 단, 변형예 4에는, 이렇게 접속되는 복수의 SPAD(210) 및 차폐 저항부(211)를 하나의 그룹으로 했을 경우에, 복수의 그룹의 복수 SPAD(210) 및 차폐 저항부(211)가 설치되어 있다. 각 그룹의 차폐 저항부(211)는, SPAD(210)와의 접속부와 반대측의 단부에 있어서, 접속 패드(125)에 접속되어 있다. 접속 패드(125)는, 그 상면이 제1 기판(71)의 상면과 동일면을 하도록 형성되어 있다. 변형예 4에 있어서도, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 해당 SPAD(210)가 직렬로 접속되는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와에는, RON < Rsh 라는 관계가 있다.
제2 기판(72)에는, 하나의 접속 패드(135)가, 그 하면이 제2 기판(72)의 하면과 동일면을 하도록 형성되어 있다. 또한, 접속 패드(135)에는 ??치 저항부(212)와 독출회로(230)가 접속되어 있다. ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 각 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)는, Rsh < Rq 라고 하는 관계에 있다.
접속 패드(135)는, 제1 기판(71)의 접속 패드(125)와 Cu-Cu 접합되어 있다. 이에 의해, SPAD(210)와 독출회로(230)가 전기적으로 접속되고, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 기계적으로 접속된다.
변형예 4에 있어서도, 각 SPAD(210)의 캐소드 전위의 변화가 하나의 독출회로(230)에 의해 검출되는 것이 된다. 하나의 독출회로(230)가 복수의 SPAD(210)에 공용되고 있는 점에서, 변형예 4는, 상술한 변형예 1과 동일하다. 또한, 하나의 독출회로(230)가 하나의 화소에 형성되기 때문에, 이 변형예에 있어서도, 복수의 SPAD(210)가 하나의 화소에 설치된다. 화소당 복수의 SPAD(210)를 설치하는 것에 의해, 화소마다의 광자 검출이 확실하게 행하여질 수 있다.
또한, 상술한 각 실시 형태(구체예나 변형예를 포함한다)와 마찬가지로, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 해당 SPAD(210)가 접속하는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에 RON < Rsh 라는 관계가 있고, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 각 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는, Rsh < Rq 라는 관계가 있다. 따라서, 이 변형예에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
[변형예 5]
도 17e는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 5를 나타내는 블록도이다. 도 17e를 참조하면, 도 17d에 나타내는 변형예 4와 마찬가지로, 제1 기판(71)에 있어서, 복수의 SPAD(210)가 병렬로 접속되고, 병렬로 접속된 복수의 SPAD(210)가 하나의 차폐 저항부(211)에 접속되어 있다. 또한, 이렇게 접속되는 복수의 SPAD(210) 및 차폐 저항부(211)를 하나의 그룹으로 했을 경우에, 복수의 그룹이 설치되어 있는 점에서도, 변형예 4와 마찬가지이다. 단, 변형예 5에 있어서는, 복수의 접속 패드(125)가 설치되고 있고, 각 그룹의 차폐 저항부(211)가, 대응하는 접속 패드(125)에 접속되어 있다. 접속 패드(125)는, 그 상면이 제1 기판(71)의 상면과 동일면을 하도록 형성되어 있다. 또한, 변형예 5에 있어서도, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 해당 SPAD(210)가 접속하는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는, RON < Rsh 라는 관계가 있다.
접속 패드(135)는, 제1 기판(71)의 접속 패드(125)와 Cu-Cu 접합되어 있다. 이에 의해, SPAD(210)와 독출회로(230)가 전기적으로 접속되고, 제1 기판(71)과 제2 기판(72)이 기계적으로 접속된다.
변형예 5에 있어서도, 각 SPAD(210)의 캐소드 전위의 변화가 하나의 독출회로(230)에 의해 검출되는 것이 된다. 하나의 독출회로(230)가 복수의 SPAD(210)에 공용되고 있는 점에서, 변형예 5는, 상술한 변형예 1과 동일하다. 또한, 하나의 독출회로(230)가 하나의 화소에 형성되기 때문에, 이 변형예에 있어서도, 복수의 SPAD(210)가 하나의 화소에 설치된다. 화소당 복수의 SPAD(210)를 설치하는 것에 의해, 화소마다의 광자 검출이 확실하게 행하여질 수 있다.
또한, 상술한 각 실시 형태(구체예나 변형예를 포함한다)와 마찬가지로, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 해당 SPAD(210)가 접속하는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에 RON < Rsh 라는 관계가 있고, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 제1 기판(71)의 각 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는, Rsh < Rq 라는 관계가 있다. 따라서, 이 변형예에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
[변형예 6]
다음으로, 도 18a 및 도 18b를 참조하면서, 제4 실시 형태의 변형예 6 및 변형예 7에 대해서 설명한다. 도 18a는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 6을 나타내는 블록도이다. 도 18a를 참조하면, 제1 기판(71)에 있어서, SPAD(210)의 캐소드가 차폐 저항부(211)의 일단에 접속되고, 차폐 저항부(211)의 타단이 접속 패드(125)에 접속되어 있다. 변형예 6에 있어서도, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 해당 SPAD(210)가 접속하는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와 사이에는, RON < Rsh 라는 관계가 있다.
또한, 변형예 6에서는, 제4 실시 형태(및 그 변형예 1 내지 5)와는 달리, ??치 저항부(212)가, 제2 기판(72)이 아니고, 제1 기판(71)에 형성되어 있다. 이러한 ??치 저항부(212)는, 예를 들면, 도 14에 있어서 제1 기판(71) 내의 배선(124)과 접속 패드(125)의 사이 영역에 소정의 배선을 설치하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이 배선은, 부분적으로 또는 전체적으로 폴리 실리콘 저항 또는 메탈 저항을 가질 수 있다. 또한, 이 배선은, 일단에서, 차폐 저항부(211)가 설치되는 배선(124)과 (예를 들면 소정의 비아 등에 의해) 전기적으로 접속되고, 타단에서, 제1 기판(71)의 주변부의 소정의 패드에 전기적으로 접속된다. 이 패드가 소정의 전원의 고전위 단자와 전기적으로 접속되는 것에 의해, ??치 저항부(212)와 SPAD(210)의 애노드와의 사이에 역방향 바이어스 전압을 인가하는 것이 가능해진다. 또한, ??치 저항부(212)는, 제1 기판(71)에 형성될 경우에도, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는, Rsh < Rq 라는 관계가 만족되게 형성된다.
상기한 바와 같이 구성될 경우에도, 애벌런치 증폭시에는, 기생 용량(C2)으로부터의 전류는, 차폐 저항부(221)에 의해 방해되어, 조금 흐르는 것에 지나지 않는다. 또한, ??치 저항부(212)와 차폐 저항부(211)에 의해 방해되기 때문에, ??치 저항부(212)를 통해서 SPAD(210)에 흐르는 전류도 조금에 지나지 않는다. 즉, 애벌런치 증폭시에는, 주로 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에 전류가 흐르는 것이 된다. 또한, ??칭이 생긴 후에는, 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에 전하가 이동하고, 기생 용량(C1)사이의 전압과 기생 용량(C2)사이의 전압이 동등해진 후에, ??치 저항부(212)를 통해서 전류가 공급되어, 리차지가 진행한다. 즉, 변형예 6에 있어서도, 제1 내지 제4 실시 형태(변형예를 포함한다)에 있어서의, 애벌런치 증폭, ??칭, 전하의 재분배, 리차지와 같은 일련의 동작과 마찬가지의 동작이 행하여진다. 따라서, 변형예 6에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
[변형예 7]
도 18b는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 7을 나타내는 블록도이다. 도 18b를 참조하면, 변형예 7에 있어서도, 변형예 6과 마찬가지로, ??치 저항부(212)는 제1 기판(71)에 설치되어 있다. 단, 변형예 7에서는, ??치 저항부(212)의 일단이, SPAD(210)의 캐소드와 차폐 저항부(211)와의 사이의 접속점에 접속되어 있다.
이러한 ??치 저항부(212)는, 예를 들면, 도 14에 있어서 제1 기판(71) 내의 배선(124)과 캐소드 전극(121)과의 사이의 영역에 소정의 배선을 설치하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이 배선은, 부분적으로 또는 전체적으로 폴리 실리콘 저항 또는 메탈 저항을 가질 수 있다. 또한, 이 배선은, 일단에서 캐소드 전극(121)과 전기적으로 접속되고, 타단에서, 제1 기판(71)의 주변부의 소정의 패드에 전기적으로 접속된다. 이 패드와 소정의 전원의 고전위 단자가 전기적으로 접속되고, SPAD(210)의 애노드가 저전위 단자와 전기적으로 접속되는 것에 의해, ??치 저항부(212)와 SPAD(210)의 애노드와의 사이에 역방향 바이어스 전압을 인가하는 것이 가능해진다. 또한, ??치 저항부(212)는, 제1 기판(71)에 형성될 경우에도, ??치 저항부(212)의 저항치(Rq)와, 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와의 사이에는, Rsh < Rq 라는 관계가 만족되도록 형성된다.
또한, SPAD(210)의 저항치(RON)와, 해당 SPAD(210)가 접속하는 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)와 사이에는, RON < Rsh 라는 관계가 있다.
상기한 바와 같이 구성될 경우에도, 애벌런치 증폭시에는, 주로 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에 전류가 흐르고, 기생 용량(C2)으로부터의 전류는, 차폐 저항부(221)과 ??치 저항부(212)에 의해 방해되어, 조금 흐르는 것에 지나지 않는다. 또한, ??칭이 생긴 후에는, 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에 전하가 이동하고, 기생 용량(C1)사이의 전압과 기생 용량(C2)사이의 전압이 동등해진 후에, ??치 저항부(212)를 통해서 전류가 공급되어, 리차지가 진행한다. 즉, 변형예 7에 있어서도, 제1 내지 제4 실시 형태(변형예를 포함한다)에 있어서의, 애벌런치 증폭, ??칭, 전하의 재분배, 리차지와 같은 일련의 동작과 마찬가지의 동작이 행하여진다. 따라서, 변형예 7에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
상기한 바와 같이 구성될 경우에도, 애벌런치 증폭시에는, 기생 용량(C2)으로부터의 전류는, 차폐 저항부(221)에 의해 방해되어, 조금 흐르는 것에 지나지 않는다. 또한, ??치 저항부(212)에 의해 방해되기 때문에, ??치 저항부(212)를 통해서 SPAD(210)에 흐르는 전류도 조금에 지나지 않는다. 즉, 애벌런치 증폭시에는, 주로 기생 용량(C1)으로부터 SPAD(210)에 전류가 흐르는 것이 된다. 또한, ??칭이 생긴 후에는, 기생 용량(C2)으로부터 기생 용량(C1)에 전하가 이동하고, 기생 용량(C1)사이의 전압과 기생 용량(C2)사이의 전압이 동등해진 후에, ??치 저항부(212)를 통해서 전류가 공급되어, 리차지가 진행한다. 즉, 변형예 7에 있어서도, 제1 내지 제4 실시 형태(변형예를 포함한다)에 있어서의, 애벌런치 증폭, ??칭, 전하의 재분배, 리차지와 같은 일련의 동작과 마찬가지의 동작이 행하여진다. 따라서, 변형예 7에 의해서도, 데드타임의 단축이나, 소비 전력의 저감과 같은 효과가 발휘된다.
[변형예 8]
다음으로, 도 19a 내지 도 19c까지를 참조하면서, 제4 실시 형태의 다른 변형예 8 내지 9에 대해서 설명한다. 도 19a에 나타낸 바와 같이, 변형예 8에 있어서의 화소는, 제1 기판(71)과, 제2 기판(72A)과, 제3 기판(73)에 의해 구성된다. 제1 기판(71)은, 제4 실시 형태에 있어서의 제1 기판(71)과 마찬가지로, SPAD(210)와 이에 직렬로 접속되는 차폐 저항부(211)를 가지고 있다. 제2 기판(72A)에는 독출회로(230)가 설치되어 있다. 제3 기판(73)에는 ??치 저항부(212)가 설치되어 있다.
제2 기판(72A)은, 도 19a에 있어서의 하면에 접속 패드(135)를 더 가지고 있다. 접속 패드(135)의 하면은, 본 변형예에서는, 제2 기판(72A)의 하면과 동일면을 구성하고 있다. 또한, 제2 기판(72A)은, 하면과 대향하는 면(도 19a에 있어서의 상면)에 접속 패드(135A)를 가지고 있다. 접속 패드(135A)의 상면은, 본 변형예에서는, 제2 기판(72A)의 상면과 동일면을 구성하고 있다. 접속 패드(135)와 접속 패드(135A)는 소정의 배선에 의해 접속되어, 이 배선은 또 독출회로(230)와 접속하고 있다. 제2 기판(72A)은, 예를 들면 실리콘 기판이면 되고, 독출회로(230)는, 실리콘 기판에 형성되는 트랜지스터나 배선, 기타의 회로 소자 등에 의해 구성될 수 있다. 또한, 접속 패드(135)와 접속 패드(135A)는 예를 들면 비아나 배선 등에 의해 접속될 수 있다.
제3 기판(73)은, 도 19a에 있어서의 하면에 접속 패드(136)를 가지고 있다. 접속 패드(136)의 하면은, 본 변형예에서는, 제3 기판(73)의 하면과 동일면을 구성하고 있다. 접속 패드(136)는, 예를 들면 비아나 배선 등에 의해 ??치 저항부(212)에 접속되어 있다.
여기에서, 제1 기판(71)의 접속 패드(125)는, 제2 기판(72A)의 접속 패드(135)와 예를 들면 Cu-Cu 접합에 의해 접합되고, 이에 의해 접합부(260)가 형성된다. 그리고, 접합부(260)를 통하여, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)와 제2 기판(72A)의 독출회로(230)가 전기적으로 접속된다. 또한, 접합부(260)에 의해, 제1 기판(71)과 제2 기판(72A)이 기계적으로 접합된다.
제2 기판(72A)의 접속 패드(135A)는, 제3 기판(73)의 접속 패드(136)와 예를 들면 Cu-Cu접합에 의해 접합되고, 이에 의해 접합부(260A)가 형성된다. 그리고, 접합부(260A)를 통하여, 제2 기판(72A)의 독출회로(230)와 제3 기판(73)의 ??치 저항부(212)가 전기적으로 접속된다. 또한, 접합부(260A)에 의해, 제2 기판(72A)과 제3 기판(73)이 기계적으로 접합된다. 나아가, 접합부(260 및 260A)를 통하여, ??치 저항부(212)는, 제1 기판(71)의 차폐 저항부(211)에 전기적으로 접속된다.
상기의 구성을 가지는 변형예 8에 있어서는, ??치 저항부(212)와 독출회로(230)가 별개의 기판에 형성되어, 접합부(260A)에 의해 접속되고 있는 점에서, 제4 실시 형태와 다르다. 그러나, 차폐 저항부(211)가 SPAD(210)의 저항치(RON)보다도 큰 저항치(Rsh)를 가지고, ??치 저항부(212)가 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 큰 저항치(Rq)를 가지는 점에서, 제4 실시 형태와 마찬가지이다.
또한, 접속 패드(135)와 독출회로(230)와의 사이에는 기생 용량(C2)이 생기고, SPAD(210)의 캐소드에 기생 용량(C1)이 생긴다. 기생 용량(C2)은, 접합부(260)에 의한 용량, 접속 패드(135)와 접속 패드(135A)를 접속하는 배선에 의한 용량, 독출회로(230)에 의한 용량과의 합성 용량이다. 제2 기판(72A)에는 많은 접속 패드나 배선, 회로 소자가 형성되어 있기 때문에, 기생 용량(C2)의 용량은, 기생 용량(C1)의 용량보다도 커지는 경향에 있다.
따라서, 변형예 8에 있어서도, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 독출회로(230)에의 입력 전압을 저감하면서, 데드타임의 단축화와 소비 전력의 저감이 실현될 수 있다.
[변형예 9]
도 19b는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 9를 나타내는 블록도이다. 도시한 대로, 변형예 9에 있어서의 화소는, 제1 기판(71A)과, 제2 기판(72B)과, 제3 기판(73A)에 의해 구성된다. 제1 기판(71)에는 SPAD(210)가 설치되고, 제2 기판(72A)에는 차폐 저항부(211)가 설치되고, 제3 기판(73A)에는 ??치 저항부(212) 및 독출회로(230)가 설치되어 있다.
제1 기판(71A)은, 나아가, 도 19b에 있어서의 상면에 접속 패드(125)을 가지고 있다. 접속 패드(125)의 상면은, 본 변형예에서는, 제1 기판(71A)의 상면과 동일면을 구성하고 있다. 접속 패드(125)는 SPAD(210)의 캐소드와 접속되어 있다.
제2 기판(72B)은, 도 19b에 있어서의 하면에 접속 패드(135)를 가지고 있다. 접속 패드(135)의 하면은, 본 변형예에서는, 제2 기판(72B)의 하면과 동일면을 구성하고 있다. 접속 패드(135)는, 예를 들면 비아나 배선 등에 의해 차폐 저항부(211)와 접속되어 있다. 또한, 제2 기판(72B)은, 상면(상기의 하면과 대향하는 면)에 접속 패드(135A)를 가지고 있다. 접속 패드(135A)의 상면은, 본 변형예에서는, 제2 기판(72B)의 상면과 동일면을 구성하고 있다.
제3 기판(73A)은, 도 19b에 있어서의 하면에 접속 패드(136)를 가지고 있다. 접속 패드(136)의 하면은, 본 변형예에서는, 제3 기판(73A)의 하면과 동일면을 구성하고 있다. 접속 패드(136)는, 예를 들면 비아나 배선 등에 의해 ??치 저항부(212) 및 독출회로(230)와 접속되어 있다.
여기에서, 제1 기판(71A)의 접속 패드(125)는, 제2 기판(72B)의 접속 패드(135)와 예를 들면 Cu-Cu 접합에 의해 접합되고, 이에 의해 접합부(260)가 형성된다. 그리고, 접합부(260)를 통하여, 제1 기판(71A)의 SPAD(210)와 제2 기판(72B)의 차폐 저항부(211)가 전기적으로 접속된다. 또한, 접합부(260)에 의해, 제1 기판(71A)과 제2 기판(72B)이 기계적으로 접합된다.
제2 기판(72B)의 접속 패드(135A)는, 제3 기판(73A)의 접속 패드(136)와 예를 들면 Cu-Cu 접합에 의해 접합되고, 이에 의해 접합부(260A)가 형성된다. 그리고, 접합부(260A)를 통하여, 제2 기판(72B)의 차폐 저항부(211)와, 제3 기판(73A)의 ??치 저항부(212) 및 독출회로(230)가 전기적으로 접속된다. 또한, 접합부(260A)에 의해, 제2 기판(72B)과 제3 기판(73A)이 기계적으로 접합된다.
상기의 구성을 가지는 변형예 9에 있어서는, SPAD(210), ??치 저항부(212), 독출회로(230)가 별개의 기판에 형성되고, 접합부(260)를 통해서 SPAD(210)와 ??치 저항부(212)가 전기적으로 접속되며, 접합부(260A)를 통하여, 차폐 저항부(211)와, ??치 저항부(212) 및 독출회로(230)가 전기적으로 접속된다. 여기에서, 차폐 저항부(211)가 SPAD(210)의 저항치(RON)보다도 큰 저항치(Rsh)를 가지고, ??치 저항부(212)가 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 큰 저항치(Rq)를 가지는 점에서는, 제4 실시 형태와 마찬가지이다.
또한, 차폐 저항부(211)의 양단부 가운데, SPAD(210)와 전기적으로 접속되는 단부측에 생기는 기생 용량(C1)과, 그 반대측의 단부측에 생기는 기생 용량(C2)을 비교하면, 기생 용량(C2)의 용량은 기생 용량(C1)의 용량보다도 커진다. 이는, 기생 용량(C2)이, 차폐 저항부(211)에 의한 용량, 차폐 저항부(211)와 접속 패드(135A)를 접속하는 배선에 의한 용량, 접합부(260A)에 의한 용량, 및 접속 패드(136)와 ??치 저항부(212) 및 독출회로(230)을 접속하는 배선에 의한 용량을 포함하는 한편, 기생 용량(C1)은, SPAD(210)에 의한 용량, SPAD(210)와 접속 패드(125)을 접속하는 배선, 및 접합부(260)에 의한 용량을 포함하는 것에 지나지 않기 때문이다.
따라서, 기생 용량(C1)의 용량 < 기생 용량(C2)의 용량, 저항치(RON) < 저항치(Rsh), 저항치(Rsh) < 저항치(Rq)라는 관계를 만족하기 때문에, 지금까지 설명한 실시 형태(변형예를 포함한다)에 의해 발휘되는 효과와 같은 효과가 변형예 9에 있어서도 발휘된다.
[변형예 10]
도 19c는, 제4 실시 형태에 관한 광학 디바이스의 화소의 변형예 10을 나타내는 블록도이다. 도시된 대로, 변형예 9에 있어서의 화소는, 제1 기판(71)과, 제2 기판(72C)과, 제3 기판(73B)에 의해 구성된다. 제1 기판(71)에는 SPAD(210) 및 차폐 저항부(211)가 설치되고, 제2 기판(72C)에는 ??치 저항부(212)가 설치되고, 제3 기판(73B)에는 독출회로(230)가 설치되어 있다. 본 변형예에 있어서의 제1 기판(71)은, 제4 실시 형태 및 그 변형예 8에 있어서의 제1 기판(71)과 동일한 구성을 가지고 있다.
제2 기판(72C)은, 도 19c에 있어서의 하면에 접속 패드(135)를 가지고 있다. 접속 패드(135)의 하면은, 본 변형예에서는, 제2 기판(72C)의 하면과 동일면을 구성하고 있다. 또한, 제2 기판(72C)은, 상면(상기의 하면과 대향하는 면)에 접속 패드(135A)를 가지고 있다. 접속 패드(135A)의 상면은, 본 변형예에서는, 제2 기판(72C)의 상면과 동일면을 구성하고 있다. 접속 패드(135)와 접속 패드(135A)는, 예를 들면 비아나 배선 등에 의해 서로 접속되어 있다. 또한, 접속 패드(135)와 접속 패드(135A)는, ??치 저항부(212)와 전기적으로 접속되어 있다.
제3 기판(73B)은, 도 19c에 있어서의 하면에 접속 패드(136)를 가지고 있다. 접속 패드(136)의 하면은, 본 변형예에서는, 제3 기판(73B)의 하면과 동일면을 구성하고 있다. 접속 패드(136)는, 예를 들면 비아나 배선 등에 의해 독출회로(230)와 접속되어 있다.
여기에서, 제1 기판(71A)의 접속 패드(125)는, 제2 기판(72C)의 접속 패드(135)와 예를 들면 Cu-Cu 접합에 의해 접합되고, 이에 의해 접합부(260)가 형성된다. 그리고, 접합부(260)를 통하고, 제1 기판(71A)의 차폐 저항부(211)와 제2 기판(72C)의 ??치 저항부(212)가 전기적으로 접속된다. 또한, 접합부(260)에 의해, 제1 기판(71A)과 제2 기판(72C)이 기계적으로 접합된다.
제2 기판(72C)의 접속 패드(135A)는, 제3 기판(73B)의 접속 패드(136)와 예를 들면 Cu-Cu 접합에 의해 접합되고, 이에 의해 접합부(260A)가 형성된다. 그리고, 접합부(260A)를 통하고, 제2 기판(72C)의 ??치 저항부(212)와, 제3 기판(73B)의 독출회로(230)가 전기적으로 접속된다. 또한, 접합부(260A)에 의해, 제2 기판(72C)과 제3 기판(73B)이 기계적으로 접합된다.
상기의 구성을 가지는 변형예 10에 있어서는, SPAD(210), ??치 저항부(212), 독출회로(230)가 별개의 기판에 형성되어, 접합부(260)를 통해서 차폐 저항부(211)와 ??치 저항부(212)가 전기적으로 접속되어, 접합부(260A)를 통하여, ??치 저항부(212)와 독출회로(230)가 전기적으로 접속된다. 여기에서, 차폐 저항부(211)가 SPAD(210)의 저항치(RON)보다도 큰 저항치(Rsh)를 가지고, ??치 저항부(212)가 차폐 저항부(211)의 저항치(Rsh)보다도 큰 저항치(Rq)를 가지는 점에서는, 제4 실시 형태와 마찬가지이다.
또한, 접속 패드(135)와 독출회로(230)와의 사이에는 기생 용량(C2)이 생기고, SPAD(210)의 캐소드에 기생 용량(C1)이 생긴다. 기생 용량(C2)은, 접합부(260)에 의한 용량, 접속 패드(135)와 접속 패드(135A)를 접속하는 배선에 의한 용량, ??치 저항부(212)에 의한 용량뿐만 아니라, 접합부(260A)에 의한 용량이나, 독출회로(230)에 의한 용량도 포함할 수 있다. 한편, 기생 용량(C1)은, SPAD(210)에 의한 용량이나, SPAD(210)와 차폐 저항부(211)를 접속하는 배선에 의한 용량 등을 포함하는 것에 지나지 않는다. 이 때문에, 기생 용량(C2)은 기생 용량(C1)보다도 커진다.
따라서, 변형예 10에 있어서도, 제4 실시 형태와 마찬가지로, 독출회로(230)에의 입력 전압을 저감하면서, 데드타임의 단축화와 소비 전력의 저감이 실현될 수 있다.
한편, 제4 실시 형태의 변형예 8 내지 10에 있어서, Cu-Cu 접합에 의한 접속 패드의 접합을 예시했지만, 접속 패드끼리가 금속 패드에 의해 접속되어도 된다. 또한, 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명한 차폐 저항부의 구체예, 도 8a 내지 도 8c를 참조하여 설명한 ??치 저항부의 구체예, 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 설명한 판독회로의 구체예도 또한, 제4 실시 형태(변형예를 포함한다)에 적당히 적용가능하다.
<적용예 1>
상술한, 본 개시의 실시 형태에 관한 광학 디바이스는, 예를 들면, 디지털 스틸 카메라나 디지털 비디오 카메라 등의 촬상 장치, 촬상 기능을 갖춘 휴대전화기, 또는, 촬상 기능을 갖춘 그 외의 기기와 같은 각종의 전자기기에 적용할 수 있다.
도 20은, 본 기술을 적용한 전자기기로서의 촬상 장치의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 20에 나타내지는 촬상 장치(201)는, 광학계(202), 셔터 장치(203), 광학 디바이스(100), 구동 회로(205), 신호처리회로(206), 모니터(207), 및 메모리(208)를 구비하여 구성되어, 정지화상 및 동영상을 촬상가능하다.
광학계(202)는, 1장 또는 복수매의 렌즈를 가지도록 구성되어, 피사체로부터의 광(입사광)을 광학 디바이스(100)에 인도하고, 광학 디바이스(100)의 수광면에 결상시킨다.
셔터 장치(203)는, 광학계(202) 및 광학 디바이스(100)의 사이에 배치되고, 구동 회로(205)의 제어를 따라, 광학 디바이스(100)에의 광조사 기간 및 차광 기간을 제어한다.
구동 회로(205)는, 광학 디바이스(100)의 전송 동작 , 및, 셔터 장치(203)의 셔터 동작을 제어하는 구동 신호를 출력하고, 광학 디바이스(100) 및 셔터 장치(203)를 구동한다.
광학 디바이스(100)는, 상술한 각 실시 형태(변형예를 포함한다)에 관한 수광소자(화소)를 포함한다. 촬상 장치에의 적용의 경우, 광학 디바이스(100)는, 독출회로(230)의 출력단에 디지털 카운터 회로(240)(도 4b)를 가진다. 광학 디바이스(100)는, 구동 회로(205)의 제어하에서, 소정의 노광 기간에, 광학계(202) 및 셔터 장치(203)를 통하여 수광면에 결상되는 광에 따라, 디지털 카운터 회로(240)에 의해, 광자수를 화소마다 카운트한다. 카운트수는 휘도신호로 변환되며, 구동 회로(205)의 제어하에서, 행주사회로(320)(도 4a)로부터 각 화소의 워드라인(WL)에 공급되는 선택 신호를 따라, 비트선(BL)을 통해서 컬럼 회로(310)에 전송된다. 컬럼 회로(310)는, 각 화소로부터의 휘도신호를 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호는, 인터페이스 회로(330)를 통해서 신호처리회로(206)에 출력된다.
신호처리회로(206)는, 광학 디바이스(100)로부터 출력된 디지털 신호에 대하여 각종의 신호처리를 실시한다. 신호처리회로(206)가 신호처리를 실시하는 것에 의해 얻어진 화상(화상 데이터)은, 모니터(207)에 공급되어서 표시되거나, 메모리(208)에 공급되어서 기억(기록)되거나 한다.
이렇게 구성되어 있는 촬상 장치(201)에 있어서는, 광학 디바이스(100)가 상술한 각 실시 형태(변형예를 포함한다)에 의한 수광소자를 포함하고 있기 때문에, 촬상 장치(201)도 또 데드타임의 단축화, 소비 전력의 저감이라고 하는 효과를 발휘할 수 있다. 한편, 광학 디바이스(100)의 수광면에 컬러 필터를 설치해도 된다. 이 컬러 필터에는, 적색파장영역광을 투과하는 적색 필터, 녹색파장영역광을 투과하는 녹색 필터, 및 청색파장광을 투과하는 청색 필터가, 광학 디바이스(100)의 수광소자(화소)에 대응하도록 형성되어 있다. 예를 들면, 컬러 필터로서 베이어 필터가 예시된다. 이러한 컬러 필터를 사용하는 것에 의해, 촬상 장치(201)을 컬러 화상취득가능한 촬상 장치로서 구성하는 것이 가능해진다.
<적용예 2>
다음으로, 본 기술을 적용한 전자기기로서, 직접 ToF방식에 의해 측거를 행하는 측거장치에 대해서 설명한다. 도 21은, 본 기술을 적용한 전자기기로서의 측거장치(600)의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도시된 대로, 측거장치(600)는, 광학 디바이스(100A)와, 광원부(602)와, 기억부(603)와, 제어부(604)와, 광학계(605)를 포함한다.
광원부(602)는, 예를 들면, 면광원으로서 레이저광을 출사하는 수직공진기면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting LASER:VCSEL) 어레이이면 된다. 단, 이에 한하지 않고, 광원부(602)로서, 레이저 다이오드를 라인 상에 배열한 레이저 다이오드 어레이이여도 된다. 이 경우, 레이저 다이오드 어레이는, 소정의 구동부(미도시)에 의해 지지되고, 레이저 다이오드의 배열 방향에 수직인 방향으로 스캔된다. 나아가 또한, 광원부(602)는, 단일의 레이저 다이오드이여도 된다. 이 경우에는, 단일의 레이저 다이오드는, 소정의 구동부(미도시)에 의해 지지되고, 수평 및 수직방향으로 스캔된다.
광학 디바이스(100A)는, 도 22의 예에서는, 제1 실시 형태에 있어서의 화소(수광소자)(200)를 가지고 있다. 단, 광학 디바이스(100A)는, 다른 실시 형태(변형예를 포함한다)에 관한 화소(수광소자)를 가져도 된다. 측거장치에의 적용의 경우, 광학 디바이스(100A)는, 상술한 디지털 카운터 회로(240)(도 4b)를 대신하여, 도 22에 나타낸 바와 같이, 독출회로(230)의 출력단에 대하여 순서대로 직렬로 접속되는 TDC회로(241), 생성부(242), 및 신호처리부(243)를 가진다. TDC회로(241), 생성부(242), 및 신호처리부(243)의 기능은 뒤에 설명한다.
신호처리부(243)는, 생성부(242)에 의해 생성된 히스토그램(후술)의 데이터에 기초하여 소정의 연산 처리를 행하고, 예를 들면 거리정보를 산출한다. 신호처리부(243)는, 예를 들면, 생성부(242)에 의해 생성된 히스토그램의 데이터에 기초하여 해당 히스토그램의 곡선근사를 작성한다. 신호처리부(243)는, 이 히스토그램의 근사된 곡선의 피크를 검출하고, 검출된 피크에 근거해 거리(D)를 구할 수 있다.
기억부(603)(도 21)는, 예를 들면, 플래시 메모리나 DRAM, SRAM 등으로 구성되어, 광학 디바이스(10)로부터 입력된 데이터 등을 기억한다.
제어부(604)는, 측거장치(600)의 전체 동작을 제어한다. 예를 들면, 제어부(604)는, 소정의 주파수를 가지는 소정의 기준신호를 광학 디바이스(100) 및 광원부(602)에 공급한다. 광원부(602)는, 예를 들면, 제어부(604)로부터 공급되는 기준신호에 기초하여 펄스 광을 출사한다. 광학 디바이스(100)는, 예를 들면, 상기의 기준신호와, 독출회로(230)로부터 출력되는 출력 신호에 기초하여 발광 타이밍과 수광 타이밍과의 시간차를 구한다. 또한, 제어부(604)는, 예를 들면 외부에서의 지시에 따라, 광학 디바이스(100)에 대하여, 측거 시의 패턴 설정을 행한다.
광학계(605)는, 외부으로부터 입사하는 광을 광학 디바이스(100)의 수광면에 인도한다.
다음으로, 도 23을 참조하면서, 측거장치(600)에 의한 측거의 일 예로서, 측거장치(600)가, 측거장치(600)로부터 피측정물(303)까지의 거리(D)를 측정할 경우를 예 로서, 직접 ToF 방식에 의한 측거를 설명한다. 광원부(602)가 광을 출사한 시각을 발광 타이밍(t0), 광원부(602)로부터 출사된 광이 피측정물(303)에 의해 반사되어진 반사광을 광학 디바이스(100)가 수광한 시각을 수광 타이밍(t1)으로 한다. 이 때, 다음 식(1)에 의해, 측거장치(600)와 피측정물(303)과의 사이의 거리(D)를 계산할 수 있다.
　　　D= (c/2)×(t1-t0)… (1)
여기에서, 상수 c는 광속도(2.9979×108 [m/sec])이다.
그런데, 광학 디바이스(100A)에 있어서는, 화소(200)에 대하여 광(광자)이 입사하면, 그 광이 피측정물(303)로부터의 반사광 이외의 광(예를 들면 환경광)이어도, 독출회로(230)로부터 출력 신호가 출력되며, 후술하는 바와 같이 TDC회로(241)에 의해 수광 타이밍이 계산된다. 즉, 피측정물(303)로부터의 반사광에 기초하여 계산된 수광 타이밍(t1)과, 반사광 이외의 광에 기초하여 계산된 수광 타이밍이 구별될 수 없다.
이에, 측거장치(600)에 있어서는, 광원부(602)로부터(예를 들면 수 100∼몇만회) 반복해 광을 출사하고, 발광 타이밍과 수광 타이밍과의 차이에 관한 히스토그램을 작성한다. 도 24는, 그렇게 해서 작성된 히스토그램의 일 예를 제시하는 도면이다. 도시한 대로, 소정의 단위시간(d)를 가지는 구간 ＃0, ＃1,＃2,···,＃(N-2),＃(N-1)마다 수광 타이밍의 회수(빈도)(301)가 나타내져 있다. 여기에서, 구간(＃0)은, 발광 타이밍(t0)로부터의 시간(d)의 범위이며, 구간(＃1)은, 발광 타이밍(t0)로부터 시간(d)만큼 경과한 시점부터 시간(d)의 범위이다. 한편, 도면 중에 있어서, 발광 타이밍(t0)으로부터 tep까지의 기간은, 광학 디바이스(100)의 노광 시간에 대응한다.
도 24을 참조하면, 파선으로 나타내지는 범위 311에 비해, 곡선 312로 나타낸 바와 같이, 근접하는 구간에 비해 수광 타이밍 회수가 돌출하고 있는 구간이 있다(이하, 편의상, 구간(312)이라고 한다). 환경광 등의 수광은 랜덤하게 발생하는 한편, 광원부(602)로부터 출사되어 피측정물(303)로 반사되어진 광의 수광은, 광이 거리(2×D)만큼 전파한 후에 수광되기 때문에, 오차를 포함하지만 일정한 범위의 시간이 경과했을 때에 일어날 수 있다. 이 때문에, 피측정물(303)로부터의 반사광에 따른 수광 타이밍(t1)은, 구간(312)에 포함되는 것으로 생각된다. 이에, 예를 들면 도시한 바와 같이, 구간(312)내의 최대의 수광 타이밍 회수가 기록된 구간의 종료 시점을, 피측정물(303)로부터의 반사광에 기초한 수광 타이밍(t1)으로 할 수 있다. 이에 한하지 않고, 최대의 수광 타이밍 회수가 기록된 구간의 시작 시점 또는 중앙시점을 수광 타이밍(t1)으로 해도 된다. 또한, 구간(312)에 있어서, 발광 타이밍 회수에 관한 근사 곡선을 구하고, 그 피크치에 기초하여 발광 타이밍(t1)을 구해도 된다.
이상과 같이, 피측정물(303)로부터의 반사광의 수광 타이밍(t1)을 구할 수 있고, 식(1)에 의해, 피측정물(303)까지의 거리(D)를 산출할 수 있다.
광학 디바이스(100A)에 있어서 상술한 직접 ToF 방식에 의한 측거가 행하여질 경우, 수광 타이밍은 TDC회로(241)에 의해 구해 진다. 즉, TDC회로(241)는, 제어부(604)로부터 입력되는 기준신호와, 독출회로(230)로부터의 출력 신호와의 시간차를 나타내는 시간차신호를 생성한다. 제어부(604)로부터의 기준신호는 광원부(602)에도 입력되어, 광원부(602)는, 이 기준신호에 기초하여 펄스 광을 발한다. 이 때문에, TDC회로(241)에 있어서 생성된 시간차신호로부터, 광원부(602)로부터 펄스 광이 발광된 발광 타이밍(t0)을 기준으로 한 수광 타이밍을 구할 수 있다.
광원부(602)에 의한 기준신호에 기초한 발광과, SPAD(210)에 의한 수광을 반복하고, 그 때마다, TDC회로(241)에 의해 구해진 발광 타이밍과 수광 타이밍과의 차이에 관한 히스토그램이, 생성부(242)에 의해 생성된다. 생성부(242)에 의해 작성된 히스토그램에 기초하여 신호처리부(243)에 의해, 수광 타이밍(t1)이 결정되어, 거리(D)가 산출된다.
이렇게 구성되는 측거장치(600)에 있어서도, 광학 디바이스(100A)가 상술한 각 실시 형태(변형예를 포함한다)에 의한 수광소자를 포함하고 있기 때문에, 측거장치(600)도 또한 데드타임의 단축화, 소비 전력의 저감이라고 하는 효과를 발휘할 수 있다.
<적용예 3>
본 개시에 관한 기술(본 기술)은, 여러 가지 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 관한 기술은, 내시경수술 시스템에 적용되어도 된다.
도 25는, 본 개시에 관한 기술(본 기술)이 적용될 수 있는, 캡슐형 내시경을 사용한 환자의 체내 정보 취득 시스템의 개략적인 구성의 일 예를 제시하는 블록도이다.
체내 정보 취득 시스템(10001)은, 캡슐형 내시경(10100)과, 외부 제어 장치(10200)로부터 구성된다.
캡슐형 내시경(10100)은, 검사시에, 환자에 의해 삼켜진다. 캡슐형 내시경(10100)은, 촬상 기능 및 무선통신 기능을 가지고, 환자에게서 자연 배출될 때까지의 동안, 위나 장 등의 장기 내부를 연동 운동 등에 의해 이동하면서, 해당 장기의 내부 화상(이하, 체내 화상이라고도 말한다)을 소정의 간격으로 순차 촬상하고, 그 체내 화상에 관한 정보를 체외의 외부 제어 장치(10200)로 순차 무선송신한다.
외부 제어 장치(10200)는, 체내 정보 취득 시스템(10001)의 동작을 통괄적으로 제어한다. 또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)으로부터 송신되어 오는 체내 화상에 관한 정보를 수신하고, 수신한 체내 화상에 관한 정보에 기초하여 표시장치(도시하지 않음)에 해당 체내 화상을 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다.
체내 정보 취득 시스템(10001)에서는, 이렇게 하여, 캡슐형 내시경(10100)이 삼켜지고 나서 배출될 때까지의 동안, 환자의 체내 모습을 촬상한 체내 화상을 수시로 얻을 수 있다.
캡슐형 내시경(10100)과 외부 제어 장치(10200)의 구성 및 기능에 대해서 보다상세하게 설명한다.
캡슐형 내시경(10100)은, 캡슐형의 케이스(10101)를 가지고, 그 케이스(10101)내에는, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 급전부(10115), 전원부(10116), 및 제어부(10117)가 수납되어 있다.
광원부(10111)는, 예를 들면 LED(light emitting diode) 등의 광원으로 구성되며, 촬상부(10112)의 촬상 시야에 대하여 광을 조사한다.
촬상부(10112)는, 촬상 소자, 및 해당 촬상 소자의 전단에 설치되는 복수의 렌즈로 이루어지는 광학계로부터 구성된다. 관찰 대상인 체조직에 조사된 광의 반사광 (이하, 관찰광이라고 한다)은, 해당 광학계에 의해 집광되어, 해당 촬상 소자에 입사한다. 촬상부(10112)에서는, 촬상 소자에 있어서, 그에 입사한 관찰광이 광전변환되고, 그 관찰광에 대응하는 화상신호가 생성된다. 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상신호는, 화상 처리부(10113)에 제공된다.
화상 처리부(10113)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등의 프로세서에 의해 구성되며, 촬상부(10112)에 의해 생성된 화상신호에 대하여 각종의 신호처리를 행한다. 화상 처리부(10113)는, 신호처리를 실시한 화상신호를, RAW데이터로서 무선 통신부(10114)에 제공한다.
무선 통신부(10114)는, 화상 처리부(10113)에 의해 신호처리가 실시된 화상신호에 대하여 변조 처리 등의 소정의 처리를 행하고, 그 화상신호를, 안테나(10114A)를 통해서 외부 제어 장치(10200)에 송신한다. 또한, 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터, 캡슐형 내시경(10100)의 구동제어에 관한 제어신호를, 안테나(10114A)를 통해서 수신한다. 무선 통신부(10114)는, 외부 제어 장치(10200)로부터 수신한 제어신호를 제어부(10117)에 제공한다.
급전부(10115)는, 전력 수신용의 안테나 코일, 해당 안테나 코일에 발생한 전류로 전력을 재생하는 전력 재생 회로, 및 승압 회로 등으로 구성된다. 급전부(10115)에서는, 소위 비접촉 충전의 원리를 사용해서 전력이 생성된다.
전원부(10116)는, 2차 전지에 의해 구성되며, 급전부(10115)에 의해 생성된 전력을 축전한다. 도 25에서는, 도면이 번잡해지는 것을 피하기 위해서, 전원부(10116)로부터의 전력의 공급처를 나타내는 화살표 등의 도시를 생략하고 있지만, 전원부(10116)에 축전된 전력은, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및 제어부(10117)에 공급되어, 그 구동에 사용될 수 있다.
제어부(10117)는, CPU 등의 프로세서에 의해 구성되며, 광원부(10111), 촬상부(10112), 화상 처리부(10113), 무선 통신부(10114), 및, 급전부(10115)의 구동을, 외부 제어 장치(10200)로부터 송신되는 제어신호를 따라 적절히 제어한다.
외부 제어 장치(10200)는, CPU, GPU 등의 프로세서, 또는 프로세서와 메모리 등의 기억 소자가 혼재된 마이크로 컴퓨터 또는 제어 기판 등으로 구성된다. 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)의 제어부(10117)에 대하여 제어신호를, 안테나(10200A)를 통해서 송신함으로써, 캡슐형 내시경(10100)의 동작을 제어한다. 캡슐형 내시경(10100)에서는, 예를 들면, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어신호에 의해, 광원부(10111)에 있어서의 관찰 대상에 대한 광의 조사 조건이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어신호에 의해, 촬상 조건(예를 들면, 촬상부(10112)에 있어서의 프레임 레이트, 노출값 등)이 변경될 수 있다. 또한, 외부 제어 장치(10200)로부터의 제어신호에 의해, 화상 처리부(10113)에 있어서의 처리의 내용이나, 무선 통신부(10114)가 화상신호를 송신하는 조건 (예를 들면, 송신 간격, 송신 화상수 등)이 변경되어도 된다.
또한, 외부 제어 장치(10200)는, 캡슐형 내시경(10100)으로부터 송신되는 화상신호에 대하여, 각종의 화상 처리를 실시하고, 촬상된 체내 화상을 표시장치에 표시하기 위한 화상 데이터를 생성한다. 해당 화상 처리로서는, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리), 고화질화 처리(대역강조 처리, 초해상 처리, NR(Noise reduction) 처리 및/또는 손떨림 보정 처리 등), 및/또는 확대 처리(전자 줌 처리)등, 각종의 신호처리를 행할 수 있다. 외부 제어 장치(10200)는, 표시장치의 구동을 제어하고, 생성한 화상 데이터에 기초하여 촬상된 체내 화상을 표시시킨다. 혹은, 외부 제어 장치(10200)는, 생성한 화상 데이터를 기록 장치(도시하지 않음)에 기록시키거나, 인쇄장치(도시하지 않음)에 인쇄 출력시켜도 된다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 체내 정보 취득 시스템의 일 예에 대해서 설명했다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 촬상부(10112)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 촬상부(10112)로서, 상술한 각 실시 형태에 관한 광학 디바이스를 사용할 수 있다. 상술한 광학 디바이스에 의하면, SPAD(210)(또는 210A)의 데드타임을 단축화하는 것이 가능하다. 그 때문에, 촬상부(10112)로서 광학 디바이스를 사용하면, 캡슐형 내시경(10100)에 의한 촬상 간격을 적당히 설정하는 것이 가능해진다. 즉, 캡슐형 내시경(10100)에 의한 촬상시에, SPAD(210)(또는 210A)가 데드타임중일 가능성을 저감할 수 있다. 또한, SPAD(210)의 소비 전력의 저감이 가능하기 때문에, 캡슐형 내시경(10100)이 환자에 의해 삼켜지고 나서 자연배출될 때까지의 동안에, 광학 디바이스(100) 등을 확실하게 동작시키는 것도 가능해진다.
한편, 여기에서는 캡슐형 내시경을 사용한 환자의 체내 정보 취득 시스템에 대해서 설명했지만, 본 개시에 관한 기술은 예를 들면, 내시경 수술 시스템에 적용되어도 된다. 이하에, 본 개시의 기술이 내시경 수술 시스템에 적용될 경우에 대해서 설명한다.
<적용예 4>
도 26은 본 개시와 관련되는 기술(본 기술)이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 26에서는, 시술자(의사)(11131)가, 내시경 수술 시스템(11000)을 이용하여, 환자 침대(11133) 상의 환자(11132)에게 수술을 행하고 있는 모습이 도시되어 있다. 도시한 것처럼, 내시경 수술 시스템(11000)은, 내시경(11100)과, 기복 튜브(11111)나 에너지 처치구(11112) 등의 그 밖의 시술구(11110)와, 내시경(11100)을 지지하는 지지 암 장치(11120)와, 내시경을 이용한 수술을 위한 각종의 장치가 탑재된 카트(11200)로 구성된다.
내시경(11100)은, 선단으로부터 소정 길이의 영역이 환자(11132)의 체강 내로 삽입되는 경통(11101)과, 경통(11101)의 기단에 접속되는 카메라 헤드(11102)로 구성된다. 도시하는 예에서는, 경성의 경통(11101)을 갖는 이른바 경성경으로서 구성되는 내시경(11100)을 도시하고 있지만, 내시경(11100)은, 연성의 경통을 갖는 이른바 연성경으로서 구성되어도 된다.
경통(11101)의 선단에는, 대물 렌즈가 끼워진 개구부가 설치되어 있다. 내시경(11100)에는 광원 장치(11203)가 접속되어 있고, 해당 광원 장치(11203)에 의해 생성된 광이, 경통(11101)의 내부로 연장 설치되는 라이트 가이드에 의해 해당 경통의 선단까지 도광되고, 대물 렌즈를 통해 환자(11132)의 체강 내의 관찰 대상을 향해 조사된다. 또한, 내시경(11100)은, 직시경이어도 되고, 사시경 또는 측시경이어도 된다.
카메라 헤드(11102)의 내부에는 광학계 및 촬상 소자가 설치되어 있으며, 관찰 대상으로부터의 반사광(관찰광)은 해당 광학계에 의해 해당 촬상 소자에 집광된다. 해당 촬상 소자에 의해 관찰광이 광전 변환되어, 관찰광에 대응하는 전기 신호, 즉 관찰상에 대응하는 화상 신호가 생성된다. 해당 화상 신호는, RAW 데이터로서 카메라 컨트롤 유닛(CCU： Camera Control Unit)(11201)에 송신된다.
CCU(11201)는, CPU(Central Processing Unit)나 GPU(Graphics Processing Unit) 등에 의해 구성되며, 내시경(11100) 및 표시 장치(11202)의 동작을 총괄적으로 제어한다. 또한, CCU(11201)는, 카메라 헤드(11102)로부터 화상 신호를 수취하고, 그 화상 신호에 대해, 예를 들면 현상 처리(디모자이크 처리) 등의, 해당 화상 신호에 기초하는 화상을 표시하기 위한 각종의 화상 처리를 실시한다.
표시 장치(11202)는, CCU(11201)로부터의 제어에 의해, 해당 CCU(11201)에 의해 화상 처리가 실시된 화상 신호에 기초하는 화상을 표시한다.
광원 장치(11203)는, 예를 들면 LED(Light Emitting Diode) 등의 광원으로 구성되고, 시술부 등을 촬영할 때의 조사광을 내시경(11100)에 공급한다.
입력장치(11204)는, 내시경 수술 시스템(11000)에 대한 입력 인터페이스이다. 유저는, 입력장치(11204)를 통해, 내시경 수술 시스템(11000)에 대해 각종의 정보의 입력이나 지시 입력을 행할 수 있다. 예를 들면, 유저는, 내시경(11100)에 의한 촬상 조건(조사광의 종류, 배율 및 초점 거리 등)을 변경하는 취지의 지시 등을 입력한다.
처치구 제어 장치(11205)는, 조직의 소작, 절개 또는 혈관의 봉지 등을 위한 에너지 처치구(11112)의 구동을 제어한다. 기복 장치(11206)는, 내시경(11100)에 의한 시야의 확보 및 시술자의 작업 공간의 확보의 목적으로, 환자(11132)의 체강을 부풀어 오르게 하기 위해, 기복 튜브(11111)를 통해 해당 체강 내로 가스를 보낸다. 레코더(11207)는, 수술에 관한 각종의 정보를 기록 가능한 장치이다. 프린터(11208)는, 수술에 관한 각종의 정보를, 텍스트, 화상 또는 그래프 등 각종의 형식으로 인쇄 가능한 장치이다.
또한, 내시경(11100)에 시술부를 촬영할 때의 조사광을 공급하는 광원 장치(11203)는, 예를 들면 LED, 레이저 광원 또는 이들의 조합에 의해 구성되는 백색 광원으로부터 구성할 수 있다. RGB 레이저 광원의 조합에 의해 백색 광원이 구성되는 경우에는, 각 색(각 파장)의 출력 강도 및 출력 타이밍을 고정밀도로 제어할 수 있기 때문에, 광원 장치(11203)에 있어서 촬상 화상의 화이트 밸런스의 조정을 행할 수 있다. 또한, 이 경우에는, RGB 레이저 광원 각각으로부터의 레이저광을 시분할로 관찰 대상에 조사하고, 그 조사 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어함으로써, RGB 각각에 대응한 화상을 시분할로 촬상하는 것도 가능하다. 해당 방법에 따르면, 해당 촬상 소자에 컬러 필터를 설치하지 않아도, 컬러 화상을 얻을 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 출력하는 광의 강도를 소정의 시간마다 변경하도록 그 구동이 제어되어도 된다. 그 광의 강도의 변경의 타이밍에 동기하여 카메라 헤드(11102)의 촬상 소자의 구동을 제어하여 시분할로 화상을 취득하고, 그 화상을 합성함으로써, 이른바 흑색 결함 및 노출 과다가 없는 고다이나믹 레인지의 화상을 생성할 수 있다.
또한, 광원 장치(11203)는, 특수광 관찰에 대응한 소정의 파장 대역의 광을 공급할 수 있게 구성되어도 된다. 특수광 관찰에서는, 예를 들면, 체조직에 있어서의 광의 흡수의 파장 의존성을 이용하여, 통상의 관찰 시에 있어서의 조사광(즉, 백색광)에 비해 협대역의 광을 조사함으로써, 점막 표층의 혈관 등의 소정의 조직을 높은 콘트라스트로 촬영하는, 이른바 협대역 광관찰(Narrow Band Imaging)이 이루어진다. 또는, 특수광 관찰에서는, 여기광을 조사함으로써 발생하는 형광에 의해 화상을 얻는 형광 관찰이 이루어져도 된다. 형광 관찰에서는, 체조직에 여기광을 조사하고 해당 체조직으로부터의 형광을 관찰(자가 형광 관찰)하거나, 또는 인도시아닌그린(ICG) 등의 시약을 체조직에 국부적으로 주입함과 함께 해당 체조직에 그 시약의 형광 파장에 대응한 여기광을 조사하여 형광상을 얻는 것 등을 행할 수 있다. 광원 장치(11203)는, 이와 같은 특수광 관찰에 대응한 협대역광 및/또는 여기광을 공급 가능하게 구성될 수 있다.
도 27은, 도 26에 나타내는 카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)의 기능 구성의 일례를 나타내는 블록도이다.
카메라 헤드(11102)는, 렌즈 유닛(11401)과, 촬상부(11402)와, 구동부(11403)와, 통신부(11404)와, 카메라 헤드 제어부(11405)를 갖는다. CCU(11201)는, 통신부(11411)와, 화상 처리부(11412)와, 제어부(11413)를 갖는다. 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201)는, 전송 케이블(11400)에 의해 서로 통신 가능하게 접속되어 있다.
렌즈 유닛(11401)은, 경통(11101)과의 접속부에 설치되는 광학계이다. 경통(11101)의 선단으로부터 받아들여진 관찰광은, 카메라 헤드(11102)까지 도광되어, 해당 렌즈 유닛(11401)에 입사한다. 렌즈 유닛(11401)은, 줌 렌즈 및 포커스 렌즈를 포함하는 복수의 렌즈가 조합되어 구성된다.
촬상부(11402)는, 촬상 소자로 구성된다. 촬상부(11402)를 구성하는 촬상 소자는, 1개(이른바 단판식)이어도 되고, 복수(이른바 다판식)이어도 된다. 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 예를 들면, 각 촬상 소자에 의해 RGB 각각에 대응하는 화상 신호가 생성되고, 이들이 합성됨으로써 컬러 화상을 얻을 수 있어도 된다. 또는, 촬상부(11402)는, 3D(Dimensional) 표시에 대응하는 오른쪽 눈용 및 왼쪽 눈용 화상 신호를 각각 취득하기 위한 한 쌍의 촬상 소자를 갖도록 구성되어도 된다. 3D 표시가 행해짐으로써, 시술자(11131)는 시술부에 있어서의 생체 조직의 안쪽으로의 깊이를 보다 정확하게 파악하는 것이 가능하게 된다. 또한, 촬상부(11402)가 다판식으로 구성되는 경우에는, 각 촬상 소자에 대응하여, 렌즈 유닛(11401)도 복수 계통 설치될 수 있다.
또한, 촬상부(11402)는, 반드시 카메라 헤드(11102)에 설치되지 않아도 된다. 예를 들면, 촬상부(11402)는, 경통(11101)의 내부에, 대물 렌즈의 바로 뒤에 설치되어도 된다.
구동부(11403)는, 액추에이터에 의해 구성되며, 카메라 헤드 제어부(11405)로부터의 제어에 의해, 렌즈 유닛(11401)의 줌 렌즈 및 포커스 렌즈를 광축을 따라 소정의 거리만큼 이동시킨다. 이에 의해, 촬상부(11402)에 의한 촬상 화상의 배율 및 초점이 적절히 조정될 수 있다.
통신부(11404)는, CCU(11201)와의 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11404)는, 촬상부(11402)로부터 얻은 화상 신호를 RAW 데이터로서 전송 케이블(11400)을 통해 CCU(11201)에 송신한다.
또한, 통신부(11404)는, CCU(11201)로부터, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 수신하여, 카메라 헤드 제어부(11405)에 공급한다. 해당 제어 신호에는, 예를 들면, 촬상 화상의 프레임 레이트를 지정하는 취지의 정보, 촬상 시의 노출값을 지정하는 취지의 정보, 및/또는 촬상 화상의 배율 및 초점을 지정하는 취지의 정보 등, 촬상 조건에 관한 정보가 포함된다.
또한, 상기의 프레임 레이트나 노출값, 배율, 초점 등의 촬상 조건은, 유저에 의해 적절히 지정되어도 되고, 취득된 화상 신호에 기초하여 CCU(11201)의 제어부(11413)에 의해 자동적으로 설정되어도 된다. 후자의 경우에는, 이른바 AE(Auto Exposure) 기능, AF(Auto Focus) 기능 및 AWB(Auto White Balance) 기능이 내시경(11100)에 탑재되어 있게 된다.
카메라 헤드 제어부(11405)는, 통신부(11404)를 통해 수신한 CCU(11201)로부터의 제어 신호에 기초하여, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어한다.
통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)와의 사이에서 각종의 정보를 송수신하기 위한 통신 장치에 의해 구성된다. 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)로부터, 전송 케이블(11400)을 통해 송신되는 화상 신호를 수신한다.
또한, 통신부(11411)는, 카메라 헤드(11102)에 대해서, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 송신한다. 화상 신호나 제어 신호는, 전기 통신이나 광 통신 등에 의해 송신할 수 있다.
화상 처리부(11412)는, 카메라 헤드(11102)로부터 송신된 RAW 데이터인 화상 신호에 대해서 각종의 화상 처리를 실시한다.
제어부(11413)는, 내시경(11100)에 의한 시술부 등의 촬상, 및 시술부 등의 촬상에 의해 얻어지는 촬상 화상의 표시에 관한 각종의 제어를 행한다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 카메라 헤드(11102)의 구동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
또한, 제어부(11413)는, 화상 처리부(11412)에 의해 화상 처리가 실시된 화상 신호에 기초하여, 시술부 등이 찍힌 촬상 화상을 표시 장치(11202)에 표시시킨다. 이 때, 제어부(11413)는, 각종의 화상 인식 기술을 이용하여 촬상 화상 내에 있어서의 각종의 물체를 인식해도 된다. 예를 들면, 제어부(11413)는, 촬상 화상에 포함되는 물체의 에지의 형상이나 색 등을 검출함으로써, 겸자 등의 시술구, 특정한 생체 부위, 출혈, 에너지 처치구(11112)의 사용 시의 미스트(mist) 등을 인식할 수 있다. 제어부(11413)는, 표시 장치(11202)에 촬상 화상을 표시시킬 때에, 그 인식 결과를 이용하여, 각종의 수술 지원 정보를 해당 시술부의 화상에 중첩 표시시켜도 된다. 수술 지원 정보가 중첩 표시되어, 시술자(11131)에게 제시됨으로써, 시술자(11131)의 부담을 경감하는 것이나, 시술자(11131)가 확실히 수술을 진행시키는 것이 가능하게 된다.
카메라 헤드(11102) 및 CCU(11201)를 접속하는 전송 케이블(11400)은, 전기 신호의 통신에 대응한 전기 신호 케이블, 광통신에 대응한 광섬유, 또는 이들의 복합 케이블이다.
여기서, 도시하는 예에서는, 전송 케이블(11400)을 이용하여 유선으로 통신이 이루어지고 있었지만, 카메라 헤드(11102)와 CCU(11201) 사이의 통신은 무선으로 이루어져도 된다.
이상, 본 개시와 관련되는 기술이 적용될 수 있는 내시경 수술 시스템의 일례에 대해 설명하였다. 본 개시와 관련되는 기술은, 이상 설명한 구성 가운데, 카메라 헤드(11102)(의 촬상부(11402))에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 촬상부(11402)로서, 상술한 각 실시 형태에 관한 광학 디바이스를 사용할 수 있다. 상술한 광학 디바이스에 의하면, 데드타임의 단축화나 전력 절감화가 가능하다. 이 때문에, 이 광학 디바이스가 적용되는 내시경수술 시스템에 의해도 마찬가지의 효과가 발휘된다.
<적용예 5>
본 개시에 따른 기술(본 기술)은 다양한 제품에 응용할 수 있다. 예를 들면, 본 개시에 따른 기술은 자동차, 전기 자동차, 하이브리드 전기 자동차, 자동이륜차, 자전거, 퍼스널 모빌리티, 비행기, 드론, 선박, 로봇 등 어느 종류의 이동체에 탑재되는 장치로서 실현되어도 된다.
도 28은 본 개시에 따른 기술이 적용될 수 있는 이동체 제어 시스템의 일례인 차량 제어 시스템의 개략적인 구성예를 나타내는 블록도이다.
차량 제어 시스템(12000)은 통신 네트워크(12001)를 거쳐 접속된 복수의 전자 제어 유닛을 구비한다. 도 28에 나타낸 예에서는, 차량 제어 시스템(12000)은 구동계 제어 유닛(12010), 보디계 제어 유닛(12020), 차외 정보 검출 유닛(12030), 차내 정보 검출 유닛(12040), 및 통합 제어 유닛(12050)을 구비한다. 또한, 통합 제어 유닛(12050)의 기능 구성으로서, 마이크로컴퓨터(12051), 음성 화상 출력부(12052), 및 차재 네트워크 I/F(Interface)(12053)가 도시되어 있다.
구동계 제어 유닛(12010)은 각종 프로그램에 따라 차량의 구동계에 관련하는 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 구동계 제어 유닛(12010)은, 내연기관 또는 구동용 모터 등의 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력 발생 장치, 구동력을 차륜에 전달하기 위한 구동력 전달 기구, 차량의 타각을 조절하는 스티어링 기구, 및 차량의 제동력을 발생시키는 제동 장치 등의 제어 장치로서 기능한다.
보디계 제어 유닛(12020)은 각종 프로그램에 따라 차체에 장비된 각종 장치의 동작을 제어한다. 예를 들면, 보디계 제어 유닛(12020)은 키리스 엔트리(keyless entry) 시스템, 스마트 키 시스템, 파워 윈도우 장치, 또는 헤드 램프, 백 램프, 브레이크 램프, 깜빡이 또는 안개등 등의 각종 램프의 제어장치로서 기능한다. 이 경우, 보디계 제어 유닛(12020)에는, 키를 대체하는 휴대기로부터 발신되는 전파 또는 각종 스위치의 신호가 입력될 수 있다. 보디계 제어 유닛(12020)은 이들 전파 또는 신호의 입력을 수신하여, 차량의 도어록 장치, 파워 윈도우 장치, 램프 등을 제어한다.
차외 정보 검출 유닛(12030)은 차량 제어 시스템(12000)을 탑재한 차량의 외부의 정보를 검출한다. 예를 들면, 차외 정보 검출 유닛(12030)에는, 촬상부(12031)가 접속된다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은 촬상부(12031)에 차 밖의 화상을 촬상시키고, 촬상된 화상을 수신한다. 차외 정보 검출 유닛(12030)은, 수신한 화상에 기초하여, 사람, 차, 장애물, 표지 또는 노면 상의 문자 등의 물체 검출 처리 또는 거리 검출 처리를 행해도 된다.
촬상부(12031)는 광을 수광하고, 그 광의 수광량에 따른 전기 신호를 출력하는 광 센서이다. 촬상부(12031)는, 전기 신호를 화상으로서 출력할 수도 있고, 측거의 정보로서 출력할 수도 있다. 또한, 촬상부(12031)가 수광하는 광은 가시광이어도 되고, 적외선 등의 비가시광이어도 된다.
차내 정보 검출 유닛(12040)은, 차내의 정보를 검출한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)에는, 예를 들면, 운전자의 상태를 검출하는 운전자 상태 검출부(12041)가 접속된다. 운전자 상태 검출부(12041)는, 예를 들면, 운전자를 촬상하는 카메라를 포함한다. 차내 정보 검출 유닛(12040)은, 운전자 상태 검출부(12041)로부터 입력되는 검출 정보에 기초하여 운전자의 피로 정도 또는 집중 정도를 산출해도 되고, 운전자가 졸고 있지 않은지를 판별해도 된다.
마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차내외의 정보에 기초하여, 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치의 제어 목표값을 연산하여, 구동계 제어 유닛(12010)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량의 충돌 회피 또는 충격 완화, 차간거리에 기초하는 추종 주행, 차속 유지 주행, 차량의 충돌 경고, 또는 차량의 차선 일탈 경고 등을 포함하는 ADAS(Advanced Driver Assistance System)의 기능 실현을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030) 또는 차내 정보 검출 유닛(12040)에서 취득되는 차량 주위의 정보에 기초하여 구동력 발생 장치, 스티어링 기구 또는 제동 장치 등을 제어함으로써, 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)에서 취득되는 차외의 정보에 기초하여, 보디계 제어 유닛(12020)에 대해 제어 지령을 출력할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차외 정보 검출 유닛(12030)으로 검지한 선행차 또는 대향차의 위치에 따라 헤드 램프를 제어하여, 하이 빔을 로우 빔으로 전환하는 등의 눈부심 방지를 도모하는 것을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
음성 화상 출력부(12052)는, 차량의 탑승자 또는 차외에 대해, 시각적 또는 청각적으로 정보를 통지하는 것이 가능한 출력장치로 음성 및 화상 중 적어도 일방의 출력 신호를 송신한다. 도 28의 예에서는, 출력장치로서, 오디오 스피커(12061), 표시부(12062) 및 인스트루먼트 패널(12063)이 예시되고 있다. 표시부(12062)는, 예를 들면, 온 보드 디스플레이 및 헤드 업 디스플레이 중 적어도 하나를 포함하고 있어도 된다.
도 29는 촬상부(12031)의 설치 위치의 예를 나타내는 도면이다.
도 29에서는, 촬상부(12031)로서, 촬상부(12101, 12102, 12103, 12104 및 12105)를 갖는다.
촬상부(12101, 12102, 12103, 12104, 12105)는, 예를 들면, 차량(12100)의 프런트 노즈, 사이드 미러, 리어범퍼, 백 도어 및 차실내의 프런트 글래스의 상부 등의 위치에 설치된다. 프런트 노즈에 구비되는 촬상부(12101) 및 차실내의 프런트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 차량(12100)의 전방의 화상을 취득한다. 사이드 미러에 구비되는 촬상부(12102, 12103)는, 주로 차량(12100)의 측방의 화상을 취득한다. 리어범퍼 또는 백 도어에 구비되는 촬상부(12104)는, 주로 차량(12100)의 후방의 화상을 취득한다. 차실내의 프런트 글래스의 상부에 구비되는 촬상부(12105)는, 주로 선행 차량 또는 보행자, 장애물, 신호기, 교통 표지 또는 차선 등의 검출에 이용된다.
또한, 도 29에는 촬상부(12101 내지 12104)의 촬영 범위의 일례가 도시되어 있다. 촬상 범위(12111)는, 프런트 노즈에 설치된 촬상부(12101)의 촬상 범위를 나타낸다. 촬상 범위(12112, 12113)는, 각각 사이드 미러에 설치된 촬상부(12102, 12103)의 촬상 범위를 나타내고, 촬상 범위(12114)는, 리어범퍼 또는 백 도어에 설치된 촬상부(12104)의 촬상 범위를 나타낸다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104)로 촬상된 화상 데이터가 중첩됨으로써, 차량(12100)을 상방으로부터 본 부감 화상을 얻을 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 거리 정보를 취득하는 기능을 가지고 있어도 된다. 예를 들면, 촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는 복수의 촬상 소자로 이루어지는 스테레오 카메라여도 되고, 위상차 검출용의 화소를 가지는 촬상 소자여도 된다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어지는 거리 정보를 기초로, 촬상 범위(12111 내지 12114) 내에 있어서의 각 입체물까지의 거리와, 이 거리의 시간적 변화(차량(12100)에 대한 상대속도)를 구함으로써, 특히 차량(12100)의 진행로 상에 있는 가장 가까운 입체물로, 차량(12100)과 대략 같은 방향으로 소정의 속도(예를 들면, 0km/h 이상)로 주행하는 입체물을 선행차로서 추출할 수 있다. 또한, 마이크로컴퓨터(12051)는, 선행차와의 사이에서 미리 확보해야 하는 차간거리를 설정하고, 자동 브레이크 제어(추종 정지 제어도 포함함)나 자동 가속 제어(추종 발진 제어도 포함함) 등을 행할 수 있다. 이와 같이 운전자의 조작에 의하지 않고 자율적으로 주행하는 자동 운전 등을 목적으로 한 협조 제어를 행할 수 있다.
예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)로부터 얻어진 거리 정보를 바탕으로, 입체물에 관한 입체물 데이터를, 이륜차, 보통 차량, 대형차량, 보행자, 전신주 등 그 외의 입체물로 분류하여 추출하고, 장애물의 자동 회피에 이용할 수 있다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 차량(12100) 주변의 장애물을, 차량(12100)의 드라이버가 시인 가능한 장애물과 시인 곤란한 장애물로 식별한다. 그리고, 마이크로컴퓨터(12051)는, 각 장애물과의 충돌 위험도를 나타내는 충돌 리스크를 판단하여, 충돌 리스크가 설정값 이상으로 충돌 가능성이 있는 상황일 때에는, 오디오 스피커(12061)나 표시부(12062)를 통해 드라이버에 경보를 출력하거나, 구동계 제어 유닛(12010)을 통해 강제 감속이나 회피 조타를 행함으로써, 충돌 회피를 위한 운전 지원을 행할 수 있다.
촬상부(12101 내지 12104) 중 적어도 하나는, 적외선을 검출하는 적외선 카메라여도 된다. 예를 들면, 마이크로컴퓨터(12051)는, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재하는지 아닌지를 판정함으로써 보행자를 인식할 수 있다. 이러한 보행자의 인식은, 예를 들면, 적외선 카메라로서의 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상에 있어서의 특징점을 추출하는 절차와, 물체의 윤곽을 나타내는 일련의 특징점에 패턴 매칭 처리를 행하여 보행자인지 아닌지를 판별하는 절차에 의해 행해진다. 마이크로컴퓨터(12051)가, 촬상부(12101 내지 12104)의 촬상 화상 중에 보행자가 존재한다고 판정하여, 보행자를 인식하면, 음성 화상 출력부(12052)는, 당해 인식된 보행자에게 강조를 위한 사각형 윤곽선을 중첩 표시하도록, 표시부(12062)를 제어한다. 또한, 음성 화상 출력부(12052)는, 보행자를 나타내는 아이콘 등을 원하는 위치에 표시하도록 표시부(12062)를 제어해도 된다.
이상, 본 개시에 관한 기술이 적용될 수 있는 차량제어시스템의 일 예에 대해서 설명했다. 본 개시에 관한 기술은, 이상 설명한 구성 중, 촬상부(12101 내지 12104)에 적용될 수 있다. 구체적으로는, 상술한 각 실시 형태(변형예를 포함한다)에 관한 촬상 소자는, 촬상부(12101 내지 12104)에 적용할 수 있다. 촬상부(12101 내지 12104)에 본 개시에 관한 기술을 적용함으로써, 예를 들면, 야간이나, 어두운 곳에서도, 보행자로부터의 얼마 안되는 광으로부터, 보행자를 인식하는 것이 가능해진다. 또한, 본 개시에 관한 기술에 의한 소비 전력을 저감할 수 있다고 하는 효과는, 특히, 차량의 구동력을 발생시키기 위한 구동력발생 장치로서 구동용 모터를 구비하는 차량에 있어서 유용하다.
한편, 상기에 있어서, 본 개시의 실시 형태에 의한 수광소자, 이를 포함하는 광학 디바이스, 및 광학 디바이스를 가지는 전자기기가 나타내는 다양한 효과가 기재되어 있지만, 그러한 효과는, 본 개시에 한정되는 것이 아니다. 또한, 다양한 효과 모두가 발휘되지 않아도 된다. 또한, 본 개시의 수광소자, 광학 디바이스, 및 전자기기에 의해, 여기에 기재되지 않은 부가적인 효과가 발휘되어도 된다.
한편, 본 기술은 이하와 같은 구성도 취할 수 있다.
(1) 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부와,
상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 상기 제1 저항부와,
상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부와,
상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 구비하는 수광소자.
(2) 상기 제2 저항부는, 상기 제1 저항부의 저항치보다도 큰 저항치를 가지는, (1)에 기재된 수광소자.
(3) 상기 광자 응답 증배부의 상기 일단에 제1 용량이 있고,
상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부에 제2 용량이 있는, (1)또는 (2)에 기재된 수광소자.
(4) 상기 제1 용량 및 상기 제2 용량의 각각은 용량 가변 소자에 의해 구성되는, (3)에 기재된 수광소자.
(5) 상기 용량 가변 소자는 하나 또는 복수의 트랜지스터를 포함하는, (4)에 기재된 수광소자.
(6) 상기 하나 또는 복수의 트랜지스터는 금속산화물반도체 트랜지스터인, (4)에 기재된 수광소자.
(7) 상기 제2 저항부가,
상기 판독부와, 상기 제2 저항부의 타방의 단부에 전기적으로 접속되는 전원과의 사이에 설치되는 개폐기와,
상기 판독부의 출력을 검출하고, 검출 결과에 기초하여 상기 개폐기를 제어하는 제어부를 구비하는, (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(8) 상기 제2 저항부는 정전류원인, (1) 내지 (6)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(9) 상기 광자 응답 증배부는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 포함하는, (1) 내지 (8)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(10) 상기 광자 응답 증배부의 상기 일단은, 상기 단일 광자 애벌런치 다이오드의 캐소드 또는 애노드인, (9)에 기재된 수광소자.
(11) 상기 광자 응답 증배부는 실리콘 광전자 증배관을 포함하는, (1) 내지 (8)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(12) 상기 제1 저항부는 폴리 실리콘 저항부 또는 메탈 저항부인, (1) 내지 (11)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(13) 상기 제1 저항부는, 하나 또는 복수의 트랜지스터에 의해 형성되는, (1) 내지 (12)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(14) 상기 하나 또는 복수의 트랜지스터는 금속산화물반도체 트랜지스터인, (13)에 기재된 수광소자.
(15) 상기 금속산화물반도체 트랜지스터 게이트에 게이트 전압을 인가하는 전압을 인가하는 전압생성부를 더 구비하는, (14)에 기재된 수광소자.
(16) 제1 접속부를 일면에 가지는 제1 기판과
상기 제1 접속부와 대응하는 제2 접속부를 일면에 가지고, 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부의 접합에 의해, 상기 제1 기판과 전기적으로 그리고 기계적으로 접합하는 제2 기판을 더 포함하고,
상기 광자 응답 증배부는 상기 제1 기판에 설치되고,
상기 판독부는 상기 제2 기판에 설치되는, (1) 내지 (15)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(17) 상기 제1 접속부 및 상기 제2 접속부는 구리를 사용해서 구성되며,
구리를 사용해서 형성되는 상기 제1 접속부 및 상기 제2 접속부의 표면끼리가 밀착되는 것에 의해, 상기 제1 접속부 및 상기 제2 접속부가 접합되는, (16)에 기재된 수광소자.
(18) 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부가 금속 범프에 의해 접합되는, (16)에 기재된 수광소자.
(19) 제1 접속부를 일면에 가지는 제1 기판과
상기 제1 접속부와 대응하는 제2 접속부를 일면에 가지고, 해당 일면과 대향하는 면에 제3 접속부를 가지고, 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부의 접합에 의해, 상기 제1 기판과 전기적으로 그리고 기계적으로 접합하는 제2 기판과,
상기 제2 접속부와 대응하는 제3 접속부를 일면에 가지고, 상기 제2 접속부와 상기 제3 접속부의 접합에 의해, 상기 제2 기판과 전기적으로 그리고 기계적으로 접합하는 제3 기판을 더 구비하고,
상기 광자 응답 증배부는 상기 제1 기판에 설치되는, (1) 내지 (15)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(20) 상기 제1 기판에는, 복수의 상기 광자 응답 증배부가 설치되고,
해당 복수의 광자 응답 증배부가 하나의 상기 판독회로와 전기적으로 접속되는, (16)또는 (19)에 기재된 수광소자.
(21) 상기 판독부의 출력단에, 상기 판독부로부터의 신호의 출력 회수를 계수하는 계수부가 접속되는, (1) 내지 (20)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(22) 상기 판독부의 출력단에, 소정의 주파수를 가지는 기준신호와, 해당 기준신호에 기초하여 생성되는 다른 신호와의 시간차를 나타내는 디지털 신호를 생성하는 시간-디지털 변환 회로가 접속되는, (1) 내지 (20)중 어느 하나에 기재된 수광소자.
(23) 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부와,
상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 상기 제1 저항부와,
상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부와,
상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 각각 구비하는 복수의 수광소자가 행렬 형상으로 배치되는 광학 디바이스.
(24) 광학계와,
상기 광학계를 투과한 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부,
상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 상기 제1 저항부,
상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부, 및
상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 각각 구비하는 복수의 수광소자가 행렬 형상으로 배치되는 광학 디바이스를 구비하는 전자기기.
(25) 광학계와,
소정의 주파수를 가지는 기준신호에 기초하여 광을 발광하도록 구성되는 발광부와,
상기 광학계를 통과한 광자의 입사에 의해 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부,
상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 제1 저항부,
상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부,
상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점, 및
상기 기준신호와, 상기 제1 저항부를 통해서 상기 광자 응답 증배부로부터 판독부에 의해 판독된 상기 출력과의 시간차를 나타내는 디지털 신호를 생성하는 시간-디지털 변환 회로를 각각 구비하는 복수의 수광소자가 행렬 형상에 배치되는 광학 디바이스를 구비하는 전자기기.
1전자기기
10광학 디바이스
11화소 어레이부
12구동 회로
13출력 회로
15타이밍 제어 회로
20, 200, 200A, 200B 화소
21포토다이오드(SPAD)
22??치 저항
23판독회로
30촬상 렌즈
40, 603기억부
50프로세서
71제1 기판
72제2 기판
LS 출력 신호선
LD 화소구동선
100광학 디바이스
101반도체기판
102광전변환영역
103 N-형반도체영역
104 P형 반도체영역
105 P+형반도체영역
106 N+형반도체영역
107캐소드 컨택트
108애노드 컨택트
109절연막
110소자분리부
111차광막
113피닝층
114평탄화막
115컬러 필터
116온 칩 렌즈
120, 130배선층
121캐소드 전극
122애노드 전극
125, 135, 135A, 136접속 패드
210, 210A 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)
211차폐 저항부
211A 저항 소자
211B P채널형 MOS트랜지스터
211C N채널형 MOS트랜지스터
212??치 저항부
212A 정전류원
212B 액티브 리차지 회로
212S 스위치
212C 제어부
230판독회로
230A 인버터
240디지털 카운터 회로
241 TDC회로
242생성부
243신호처리부
250바이어스전압생성부
260접합부
310컬럼 회로
320행주사회로
330인터페이스 회로
600측거장치
602광원부
604제어부
605광학계
PAR 화소 어레이부
BL0, BL1, ···, BLS, BL 비트 선
WL0, WL1, ···, WLN, WL 워드라인
C1, C2기생 용량
RL, RS 저항기
IVT 인버터
C01캐소드 기생 용량
C02입력 기생 용량
VC1, VC2용량 가변 소자
201촬상 장치
202광학계
203셔터 장치
205구동 회로
206신호처리회로
207모니터
208메모리

Claims (20)

  1. 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부와,
    상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 상기 제1 저항부와,
    상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부와,
    상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 구비하는 수광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 저항부는, 상기 제1 저항부의 저항치보다도 큰 저항치를 가지는, 수광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광자 응답 증배부의 상기 일단에 제1 용량이 있고,
    상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부에 제2 용량이 있는, 수광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 용량 및 상기 제2 용량의 각각은 용량 가변 소자에 의해 구성되는, 수광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 용량 가변 소자는 하나 또는 복수의 트랜지스터를 포함하는, 수광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 저항부가,
    상기 판독부와, 상기 제2 저항부의 타방의 단부에 전기적으로 접속되는 전원과의 사이에 설치되는 개폐기와,
    상기 판독부의 출력을 검출하고, 검출 결과에 기초하여 상기 개폐기를 제어하는 제어부를 구비하는, 수광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 저항부는 정전류원인, 수광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광자 응답 증배부는 단일 광자 애벌런치 다이오드를 포함하는, 수광소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광자 응답 증배부의 상기 일단은, 상기 단일 광자 애벌런치 다이오드의 캐소드 또는 애노드인, 수광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광자 응답 증배부는 실리콘 광전자 증배관을 포함하는, 수광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 저항부는 폴리 실리콘 저항부 또는 메탈 저항부인, 수광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 저항부는, 하나 또는 복수의 트랜지스터에 의해 구성되는, 수광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    제1 접속부를 일면에 가지는 제1 기판과,
    상기 제1 접속부와 대응하는 제2 접속부를 일면에 가지고, 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부의 접합에 의해, 상기 제1 기판과 전기적으로 그리고 기계적으로 접합하는 제2 기판을 더 포함하고,
    상기 광자 응답 증배부는 상기 제1 기판에 설치되고,
    상기 판독부는 상기 제2 기판에 설치되는, 수광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 접속부 및 상기 제2 접속부는 구리를 사용해서 구성되며,
    구리를 사용해서 구성되는 상기 제1 접속부 및 상기 제2 접속부의 표면끼리가 밀착되는 것에 의해, 상기 제1 접속부 및 상기 제2 접속부가 접합되는, 수광소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부가 금속 범프에 의해 접합되는, 수광소자.
  16. 제1항에 있어서,
    제1 접속부를 일면에 가지는 제1 기판과
    상기 제1 접속부와 대응하는 제2 접속부를 일면에 가지고, 해당 일면과 대향하는 면에 제3 접속부를 가지고, 상기 제1 접속부와 상기 제2 접속부의 접합에 의해, 상기 제1 기판과 전기적으로 그리고 기계적으로 접합하는 제2 기판과,
    상기 제2 접속부와 대응하는 제3 접속부를 일면에 가지고, 상기 제2 접속부와 상기 제3 접속부의 접합에 의해, 상기 제2 기판과 전기적으로 그리고 기계적으로 접합하는 제3 기판을 더 포함하고,
    상기 광자 응답 증배부는 상기 제1 기판에 설치되는, 수광소자.
  17. 제1항에 있어서,　
    상기 판독부의 출력단에, 상기 판독부로부터의 신호의 출력 회수를 계수하는 계수부가 접속되는, 수광소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 판독부의 출력단에, 소정의 주파수를 가지는 기준신호와, 해당 기준신호에 기초하여 생성되는 다른 신호와의 시간차를 나타내는 디지털 신호를 생성하는 시간-디지털 변환 회로가 접속되는, 수광소자.
  19. 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부와,
    상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부로서, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 상기 제1 저항부와,
    상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부와,
    상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 각각 구비하는 복수의 수광소자가 행렬 형상으로 배치되는, 광학 디바이스.
  20. 광학계와,
    상기 광학계를 투과한 광자가 각각 입사되는 복수의 수광소자가 행렬 형상으로 배치되는 광학 디바이스를 구비하고,
    상기 복수의 수광소자 각각이,
    상기 광학계를 투과한 광자의 입사에 따라 생성된 전하를 증배 가능한 전하 증배 영역을 포함하는 광자 응답 증배부와,
    상기 광자 응답 증배부의 일단에, 일방의 단부에서 접속되는 제1 저항부이며, 상기 광자 응답 증배부의 저항치보다 큰 저항치를 가지는 상기 제1 저항부와,
    상기 제1 저항부의 타방의 단부에, 일방의 단부에서 접속되는 제2 저항부와,
    상기 제1 저항부의 상기 타방의 단부, 상기 제2 저항부의 상기 일방의 단부, 및 상기 광자 응답 증배부로부터 출력을 판독하는 판독부가 접속되는 접속점을 포함하는 전자기기.
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